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石墨负极材料详细介绍
发布时间:2020-06-18 21:07    文章作者:亚美游戏

  石墨负极材料详细介绍_工作总结/汇报_总结/汇报_实用文档。石墨负极材料介绍 ? 锂离子电池的发展源于上世纪90年代,至 今不过20年,在过去的20年是锂电行业的 一次飞跃,随着各国对环境、新能源的重 视,锂离子电池更会有突飞猛进的发展。 ? 本幻灯片共分两章

  石墨负极材料介绍 ? 锂离子电池的发展源于上世纪90年代,至 今不过20年,在过去的20年是锂电行业的 一次飞跃,随着各国对环境、新能源的重 视,锂离子电池更会有突飞猛进的发展。 ? 本幻灯片共分两章,第一章石墨与锂离子 电池,将简单介绍石墨在锂电中的应用; 第二章锂电负极材料的发展与现状,简单 陈述锂离子电池的现状和发展趋势。 第一章 石墨与锂离子电池 石墨质软、有滑腻感,是一种非金属 矿物质,具有耐高温、耐氧化、抗腐 蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润 滑强度高、导热、导电性能强等特有 的物理、化学性能。 英文名称:graphite 分子式:C 用途广泛 石墨具有许多优良的性能,因而在冶金、机械、电气、化工、纺 织、国防等工业部门获得广泛应用,比如石墨模具、石墨电极、 石墨耐火材料、石墨润滑材料、石墨密封材料等。 储量丰富 我国是世界上石墨储量最丰富的国家,也是第一生产大国和出口 大国,在世界石墨行业中占有重要地位。据我国国土资源部统计 资料显示,我国晶质石墨储量3085万吨,基础储量5280万吨;隐 晶质石墨储量1358万吨,基础储量2371万吨,中国石墨储量占世 界的70%以上。 分类 天然石墨可以分为晶质石墨和微晶石墨两类。晶质石墨结晶较好,是 含碳质的岩石经长期地质作用变质的矿物,呈明显的片状或板状,又 称鳞片石墨;微晶石墨一般呈微晶集合体,是煤变质矿物,也称无定 形石墨、土状石墨、隐晶石墨。 除天然石墨之外还有人造石墨,人造石墨是一种用炭素材料(如石油 焦、沥青焦、针状焦)为原料经热干馏加工而成。 结构 石墨属于六方晶系,其晶体是由碳原子组成的六角网状平面规则堆砌 而成,具有层状结构。在每一层内,碳原子排成六边形,每个碳原子 以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子以共价键结合,剩下的P轨道上电 子形成离域π键。 石墨存在两种晶体结构:六方形结构和菱形结构,六方形结构为 ABABAB…堆积模型、菱形结构为ABCABCABC…堆积模型,如 下图所示:(a)为六方形结构,(b)为菱形结构。 碳碳双键组成六方形结构,构成一个平面(墨平面),这些墨平面 相互堆积起来,就成为石墨晶体。石墨晶体的参数主要有La、Lc和 d002,La为石墨晶体沿a轴方向的平均大小,Lc为墨平面沿与其垂直 的c轴方向进行堆积的厚度,d002为墨平面之间的距离。 完整石墨晶体的一些结构参数 石墨作为锂离子电池负极材料 锂离子电池是指以两种不同的能够 可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化 合物分别作为电池正极和负极的二 次电池体系。充电时,锂离子从正 极脱嵌,通过电解质和隔膜,嵌入 到负极中;放电时则相反,锂离子 从负极脱嵌,通过电解质和隔膜, 嵌入到正极中。 锂离子电池的负极是由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状 胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。 石墨由于具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前 后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点,成为目前主流的商 业化锂离子电池负极材料。 石墨的嵌锂机理 石墨导电性好,结晶程度高,具有良好的层状结构,十分适合锂离 子的反复嵌入-脱嵌,是目前应用最广泛、技术最成熟的负极材料。 锂离子嵌入石墨层间后,形成嵌锂化合LixC6 (0≤x≤1),理论容量可达372mAh/g(x=1),反应式为:xLi++ 6C+xe-→LixC6 锂离子嵌入使石墨层与层之间的堆积方式由ABAB变为AAAA,如 下图所示。 石墨的改性处理 由于石墨层间距(d002≤0.34nm)小于石墨嵌锂化合物LixC6的晶面层间 距(0.37nm),致使在充放电过程中,石墨层间距改变,易造成石墨 层剥落、粉化,还会发生锂离子与有机溶剂分子共同嵌入石墨层及有 机溶剂分解,进而影响电池循环性能。 通过石墨改性,如在石墨表面氧化、包覆聚合物热解炭,形成具有核壳结构的复合石墨,可以改善石墨的充放电性能,提高比容量。 其它负极材料 石墨是目前主流的商业化锂电负极材料,但由于石墨本身结构特性的制 约,石墨负极材料的发展也遇到了瓶颈,比如比容量已经到达极限、不 能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力等。因此业界也开始 把目光投向非石墨类材料,比如硬碳和其它非碳材料(氧化锡、硅碳合 金、钛酸锂等)。 第二章 锂电负极材料的发展和现状 ?锂离子电池的重要性 ?锂离子电池能否成功应用,关键在于能可逆地嵌入脱嵌锂离 子的负极材料的制备。 ?负极材料是锂离子电池的主要组成部分,负极材料性能的好 坏直接影响到锂离子电池的性能。 ?高能便携电源的需求激增,加大了对锂离子小电池的需求, 高容量、有着可靠循环性的负极材料成为人们研究的一个重点 。 ?大容量动力电池的的应用,加大了对电池材料,尤其是高性 能负极材料的需求。 锂电负极材料研究现状 锂电负极材料要求具有: ①正负极的电化学位差大,从而可获得高功率电池; ②锂离子的嵌入反应自由能变化小; ③锂离子的可逆容量大,理离子嵌入量的多少对电极电位影响不大, 这样可以保证电池稳定的工作电压; ④高度可逆嵌入反应,良好的电导率,热力学稳定的同时还不与电解 质发生反应; ⑤循环性好,具有较长循环寿命; ⑥锂离子在负极的固态结构中具有高扩散速率; ⑦材料的结构稳定、制作工艺简单、成本低。 目前,研究工作主要集中在碳材料和其它具有特殊结构的化合物。目 前,锂离子电池负极材料主要是: ①炭材料(石墨、无定性炭、炭纤维、焦炭、MCMB、纳米炭管) ②非炭材料(合金、金属及其氧化物) 锂离子电池负极材料发展图 不同负极材料的能量密度 合金负极材料 ?硅基合金负极材料 ?锡基合金负极材料 硅基合金负极材料 xLi + Si = LixSi Li12Si17、Li13Si14、Li7Si3、Li22Si5等,其中Si完 全嵌入锂时形成的合金Li4.4Si,其理论容量达 4200mAh/g 缺点:体积变化大,造成合金的粉化,容量急剧 下降 改


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