石墨负极材料为何独得锂电恩宠?

2017-08-22

  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。

  

“石墨负极材料为何独得锂电恩宠”/


  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。

  石墨作为负极材料的优势

  石墨是碳的同素异形体,二者紧密相关。石墨是碳元素最稳定的存在形式。(金刚石是碳的一种亚稳态同素异形体,虽然它的硬度远远高于石墨,是自然界中硬度最高的物质,但它的稳定性却低于石墨。)

  

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  “石墨”一词来源于希腊语“graphein”,该材料耐高温,耐腐蚀,具有良好的导电性、导热性和稳定的化学性能,同时比铝要轻。除了用作锂离子电池的负极材料外,优质的石墨还可用于燃料电池、太阳能电池、半导体、发光二极管以及核反应堆等不同领域。

  总的来说,石墨具备电子电导率高、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,已成为目前主流的商业化锂离子电池负极材料。

  石墨的获取方式

  获取石墨的方式有两种:一是天然矿石,二是煤焦油的合成。而锂离子电池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨与45%低纯度的天然石墨调和制备的。

  生产厂家曾经一度青睐合成石墨,因为合成石墨的均一性和纯度要优于天然石墨。现在却不一样,现代化学提纯方法的应用使得经热处理可获得99.9%纯度的天然石墨。相比之下,合成石墨的纯度为99%,因而前者更受欢迎。

  与合成石墨相比,经过提纯的天然片状石墨有更高的结晶度,表现出更好的导电性和导热性。此外,天然石墨有望降低锂离子电池的生产成本,同时还能获得同等甚至更优异的电池性能。

  可以预计的是合成石墨终将被替代,未来属于更便宜更环保的天然石墨,而以天然石墨为原料合成的石墨烯,更将大展身手。

  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。

  

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  石墨的改性处理

  由于石墨层间距(d≤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

  目前,石墨是主流的商业化锂电负极材料,它的理论克容量为372mAh/g,市面上性能较好的石墨负极材料已经能达到360mAh/g,克容量逐渐趋于极限值。虽然石墨作为负极材料具有克容量较低、循环性偏差等劣势,但鉴于石墨类负极材料的高性价比,其不会马上被新型材料取代,具体原因如下:

  1.新型负极材料技术不成熟,还需要很长一段时间进行性能改进;

  2.新型负极材料的价格较高,石墨类负极的价格优势明显;

  3.负极材料需要与正极材料、电解液等搭配使用,而目前正极材料的比容量普遍较低。

    石墨在应用到锂电池生产之前,需要通过石墨粉碎机对其进行超微粉碎。因此,伴随着锂电池的不断发展,市场对石墨的需求必然增加,从而石墨粉碎机的需求量也必将实现增长。福建丰力机械科技有限企业所生产的石墨粉碎机特别适合石墨的超微粉碎,欢迎前来洽谈!

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