石墨電極：探究鋰離子電池負(fù)極材料主力 石墨類材料

時(shí)間：2021-04-06作者：臨漳縣昊聯(lián)碳素有限公司瀏覽：703

      作為鋰離子電池四大主材之一的負(fù)極材料，其比容量以及工作電壓直接決定著電池的能量密度和工作電壓，雖然硅材料開(kāi)始逐步走向產(chǎn)業(yè)化，但目前的主流負(fù)極材料仍然是石墨類負(fù)極材料，其在反應(yīng)過(guò)程中具有較低的嵌鋰電位，同時(shí)生成的插鋰層間化合物代替金屬鋰負(fù)極，從而避免了金屬鋰枝晶的沉積, 因此安全性得以顯著提高。而作為鋰電四大主材的最后一個(gè)主題，將通過(guò)對(duì)石墨類材料的基礎(chǔ)知識(shí)、生產(chǎn)工藝、測(cè)試方法、失效模式分析等幾個(gè)方面對(duì)其有一個(gè)系統(tǒng)的、直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)石墨類材料的基礎(chǔ)知識(shí)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
     石墨類材料主要分為人造石墨和**石墨，人造石墨又會(huì)根據(jù)加工工藝的不同分為MCMB（中間相碳微球）、軟碳和硬碳等，理想的石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)平面類似于苯環(huán)，層面之間通過(guò)大π鍵連接；具有2H型六方晶系以及3R型菱面體晶系。
      對(duì)于理想的石墨而言，其理論容量為372mAh/g，但在實(shí)際電池設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般負(fù)極會(huì)過(guò)量5%-10%，同時(shí)在**充電過(guò)程中形成SEI膜對(duì)負(fù)極表面形成保護(hù)，阻止電解液和負(fù)極的進(jìn)一步反應(yīng)，而這層膜的好壞將直接影響電池的各項(xiàng)性能。
     隨著石墨負(fù)極中鋰離子嵌入越來(lái)越深入（Stage-4-Stage-1），負(fù)極的表面顏色也逐漸發(fā)生變化，從黑色到青黑色再到暗黃色最后到金黃，石墨負(fù)極也完成了C-----LiC12----LiC6的轉(zhuǎn)變，從而完成了充電過(guò)程。
     **石墨大小顆粒不一，粒徑分布廣，未經(jīng)處理的**石墨是不能作為負(fù)極材料直接使用的，需要經(jīng)過(guò)一系列的加工后才能使用，而人造石墨在形貌以及粒徑分布上就一致多了；一般認(rèn)為，**石墨的容量高，壓實(shí)密度高，價(jià)格也比較便宜，但是由于顆粒大小不一，表面缺陷較多，與電解液的相容性比較差，副反應(yīng)比較多；而人造石墨則各項(xiàng)性能比較均衡，循環(huán)性能好，與電解液的相容性也比較好，價(jià)格也會(huì)貴一些。
       對(duì)于負(fù)極材料，常常會(huì)聽(tīng)到一個(gè)取向度的概念，也就是所謂的OI值，它的大小將直接影響著負(fù)極的電解液浸潤(rùn)、表面的阻抗、大倍率充放電性能，也直接影響著負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中的膨脹。取向度=I（004）/I（110），通過(guò)XRD數(shù)據(jù)可以計(jì)算出來(lái)。
     除此以外，石墨負(fù)極的形貌也對(duì)電池性能有很大的影響，球形石墨顆粒之間的接觸明顯不如不規(guī)則石墨顆粒的接觸，因而阻抗也會(huì)大一些，這對(duì)材料的設(shè)計(jì)而言是一個(gè)方向，對(duì)顆粒大小的匹配以及保證顆粒之間的面接觸，增大接觸面積，降低接觸阻抗，從而達(dá)到降低較化的目的。而材料本身的包覆狀態(tài)也會(huì)影響負(fù)極的性能，一般會(huì)包覆一些無(wú)定型的碳材料，從而改善負(fù)極的界面阻抗，改善低溫以及循環(huán)性能。而隨著電池能量密度的提升，石墨負(fù)極的容量利用率也逐漸接近理論值，同時(shí)壓實(shí)也會(huì)越來(lái)越高，這就要求石墨負(fù)極的穩(wěn)定性也要隨之提高，目前而言，摻雜和包覆仍然是處理的一個(gè)主流手段，改性以后可以使石墨負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)得到保護(hù)，增強(qiáng)了循環(huán)的穩(wěn)定性，另外，金屬以及非金屬元素的引入也可以顯著的改善負(fù)極的性能，相關(guān)文獻(xiàn)也比較多，在此就不多贅述了。

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