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天然石墨,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)在首次充電過(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。
從上圖中就可以看出天然石墨和人造水墨在形貌上的區(qū)別,天然石墨大小顆粒不一,粒徑分布廣,未經(jīng)處理的天然石墨是不能作為負(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,天然石墨的容量高,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)。
通過(guò)上圖可以看出,隨著取向度的降低,大倍率充電的能力也在逐漸提升,達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值。
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)到降低極化的目的。
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,再次就不多贅述了。
本次主要介紹了負(fù)極的一些基礎(chǔ)知識(shí),下一篇將主要介紹負(fù)極相關(guān)參數(shù)的檢測(cè),敬請(qǐng)期待。
參考文獻(xiàn)來(lái)源于百度文庫(kù)以及第58屆日本研討會(huì)報(bào)告集
來(lái)源:第一電動(dòng)網(wǎng)
作者:鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)
本文地址:http://healthsupplement-reviews.com/kol/60649
本文由第一電動(dòng)網(wǎng)大牛說(shuō)作者撰寫(xiě),他們?yōu)楸疚牡恼鎸?shí)性和中立性負(fù)責(zé),觀點(diǎn)僅代表個(gè)人,不代表第一電動(dòng)網(wǎng)。本文版權(quán)歸原創(chuàng)作者和第一電動(dòng)網(wǎng)(healthsupplement-reviews.com)所有,如需轉(zhuǎn)載需得到雙方授權(quán),同時(shí)務(wù)必注明來(lái)源和作者。
歡迎加入第一電動(dòng)網(wǎng)大牛說(shuō)作者,注冊(cè)會(huì)員登錄后即可在線投稿,請(qǐng)?jiān)跁?huì)員資料留下QQ、手機(jī)、郵箱等聯(lián)系方式,便于我們?cè)诘谝粫r(shí)間與您溝通稿件,如有問(wèn)題請(qǐng)發(fā)送郵件至 content@d1ev.com。
文中圖片源自互聯(lián)網(wǎng),如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系admin#d1ev.com(#替換成@)刪除。