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探究锂离子电池负极材料主力:石墨类材料

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作为锂离子电池的四种主要材料之一,负极材料的比容量和工作电压直接决定了电池的能量密度和工作电压。硅材料虽然开始逐步工业化,但目前主流的负材料仍然是石墨负材料,在反应过程中锂插层潜力很低。同时,插层锂化合物取代了金属锂负电极,避免了金属锂枝晶的沉积,安全性显著提高。作为锂离子动力四大材料的最后一个主题,我们将从基础知识、生产工艺、测试方法、失效模式分析等方面对石墨材料有一个系统而直观的了解,并简单介绍石墨材料的基本知识。隐晶石材料。

石墨材料主要分为人造石墨和天然石墨。根据加工工艺的不同,人造石墨可分为中相炭微球、软炭和硬炭。理想石墨呈层状结构,每一平面与苯环相似,各层之间用大的π键连接,具有2H型六角系统和3R型金刚石。面体晶体系统。

对于理想石墨,其理论容量为372 mAh/g,但在实际电池设计过程中,负极将超过5%-10%。同时,在第一次充电过程中会形成SEI膜,以保护负极表面,防止电解质和负极的进一步反应。这种薄膜的质量将直接影响电池的性能。.

随着锂离子在石墨阳极中的插层越来越深(4-1级),负电极的表面颜色逐渐改变。石墨阳极由黑到青黑色,再到暗黄色,最后到金黄色,也完成了C--Lic12--Lic6的转化,从而完成了充电过程。

从上图中,我们可以看到天然石墨和人造墨水在形态上的差异。天然石墨具有不同的粒度和较宽的粒度分布。未经处理的天然石墨不能直接用作负极材料。它需要一系列的处理才能使用。人造石墨具有不同的形貌和粒度分布。人们普遍认为天然石墨具有高容量、高压实密度、低价格等优点,但由于粒径不同、表面缺陷多、与电解质的相容性差、副作用多,而人造石墨具有更均衡的性能、良好的循环利用性能。与电解质的相容性。它也更好,而且价格会更贵。

对于阳极材料,我们经常听到一个方向的概念,即所谓的oi值。其尺寸大小将直接影响阳极的电解质渗透、表面阻抗、高倍率充放电性能,也直接影响阳极在循环过程中的膨胀。取向=I(004)/I(110),可根据XRD数据计算。

从上图可以看出,随着取向度的降低,高速充电能力逐渐提高,达到稳定值。

另外,石墨阳极的形貌对电池的性能也有很大的影响。球形石墨颗粒之间的接触明显比不规则石墨颗粒之间的接触差,因此阻抗较大。这是材料设计的一个方向。颗粒尺寸的匹配和颗粒间表面接触的保证将会增加。接触面积可以减小接触阻抗,从而达到降低极化的目的。

材料本身的涂层状态也会影响负极的性能。通常情况下,一些非晶碳材料会被包覆以提高负极的界面阻抗、低温和循环性能。

随着电池能量密度的增加,石墨阳极的容量利用率逐渐接近理论值,压实度越来越高,这就要求提高石墨阳极的稳定性。目前,掺杂和涂层仍然是主要的处理手段。改性石墨阳极经改性后可回收利用。此外,金属和非金属元素的引入也能显著提高负极的性能。有很多相关的文献,所以我们在这里不谈细节。


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