石墨負極材料介紹教學(xué)文稿

1、石墨負極材料(cilio)介紹 鋰離子電池的發(fā)展源于上世紀90年代，至今不過20年，在過去的20年是鋰電行業(yè)的一次飛躍(fiyu)，隨著各國對環(huán)境、新能源的重視，鋰離子電池更會有突飛猛進的發(fā)展。 本幻燈片共分兩章，第一章石墨與鋰離子電池，將簡單介紹石墨在鋰電中的應(yīng)用；第二章鋰電負極材料的發(fā)展與現(xiàn)狀，簡單陳述鋰離子電池的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第一頁，共47頁。第一章 石墨(shm)與鋰離子電池石墨質(zhì)軟、有滑膩感，是一種非金屬礦物質(zhì)，具有耐高溫、耐氧化、抗腐蝕、抗熱震、強度大、韌性好、自潤滑強度高、導(dǎo)熱(dor)、導(dǎo)電性能強等特有的物理、化學(xué)性能。英文名稱：graphite分子式：C第二頁，共47頁。用

2、途廣泛(gungfn)石墨具有許多優(yōu)良的性能，因而在冶金、機械、電氣、化工、紡織、國防等工業(yè)部門獲得廣泛(gungfn)應(yīng)用，比如石墨模具、石墨電極、石墨耐火材料、石墨潤滑材料、石墨密封材料等。儲量豐富我國是世界上石墨儲量最豐富的國家，也是第一生產(chǎn)大國和出口大國，在世界石墨行業(yè)中占有重要地位。據(jù)我國國土資源部統(tǒng)計資料顯示(xinsh)，我國晶質(zhì)石墨儲量3085萬噸，基礎(chǔ)儲量5280萬噸；隱晶質(zhì)石墨儲量1358萬噸，基礎(chǔ)儲量2371萬噸，中國石墨儲量占世界的70%以上。第三頁，共47頁。分類天然石墨可以分為晶質(zhì)石墨和微晶石墨兩類。晶質(zhì)石墨結(jié)晶(jijng)較好，是含碳質(zhì)的巖石經(jīng)長期地質(zhì)作用變質(zhì)的

3、礦物，呈明顯的片狀或板狀，又稱鱗片石墨；微晶石墨一般呈微晶集合體，是煤變質(zhì)礦物，也稱無定形石墨、土狀石墨、隱晶石墨。除天然石墨之外還有人造石墨，人造石墨是一種用炭素材料（如石油焦、瀝青焦、針狀焦）為原料經(jīng)熱干餾加工而成。結(jié)構(gòu)石墨屬于六方晶系，其晶體是由碳原子組成的六角網(wǎng)狀平面規(guī)則堆砌(duq)而成，具有層狀結(jié)構(gòu)。在每一層內(nèi)，碳原子排成六邊形，每個碳原子以sp2雜化軌道與三個相鄰的碳原子以共價鍵結(jié)合，剩下的P軌道上電子形成離域鍵。第四頁，共47頁。石墨存在兩種晶體結(jié)構(gòu)：六方形結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)，六方形結(jié)構(gòu)為ABABAB堆積模型(mxng)、菱形結(jié)構(gòu)為ABCABCABC堆積模型(mxng)，如下圖所示

4、：（a）為六方形結(jié)構(gòu)，（b）為菱形結(jié)構(gòu)。第五頁，共47頁。碳碳雙鍵組成六方形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個平面（墨平面），這些墨平面相互堆積起來，就成為石墨晶體。石墨晶體的參數(shù)主要有La、Lc和d002，La為石墨晶體沿a軸方向的平均大小，Lc為墨平面沿與其垂直(chuzh)的c軸方向進行堆積的厚度，d002為墨平面之間的距離。完整石墨晶體完整石墨晶體(jngt)(jngt)的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)第六頁，共47頁。石墨作為(zuwi)鋰離子電池負極材料鋰離子電池是指以兩種不同的能夠可逆地嵌入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負極的二次電池體系(tx)。充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，

5、嵌入到負極中；放電時則相反，鋰離子從負極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，嵌入到正極中。鋰離子電池的負極是由負極活性物質(zhì)、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。石墨由于具備電子電導(dǎo)率高、鋰離子擴散系數(shù)大、層狀結(jié)構(gòu)在嵌鋰前后體積變化小、嵌鋰容量高和嵌鋰電位低等優(yōu)點，成為目前(mqin)主流的商業(yè)化鋰離子電池負極材料。第七頁，共47頁。石墨(shm)的嵌鋰機理石墨導(dǎo)電性好，結(jié)晶程度高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，十分適合鋰離子的反復(fù)(fnf)嵌入-脫嵌，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的負極材料。鋰離子嵌入石墨層間后，形成嵌鋰化合LixC6（0 x1），理論容量可達372mAh/g（x=

6、1），反應(yīng)式為：xLi+6C+xe-LixC6 鋰離子嵌入使石墨層與層之間的堆積方式由ABAB變?yōu)锳AAA，如下圖所示。第八頁，共47頁。石墨(shm)的改性處理由于石墨層間距(jin j)（d0020.34nm）小于石墨嵌鋰化合物L(fēng)ixC6的晶面層間距(jin j)（0.37nm），致使在充放電過程中，石墨層間距(jin j)改變，易造成石墨層剝落、粉化，還會發(fā)生鋰離子與有機溶劑分子共同嵌入石墨層及有機溶劑分解，進而影響電池循環(huán)性能。通過石墨改性，如在石墨表面氧化、包覆聚合物熱解炭，形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合石墨，可以改善石墨的充放電性能(xngnng)，提高比容量。其它負極材料石墨是目前主流

7、的商業(yè)化鋰電負極材料，但由于石墨本身結(jié)構(gòu)特性的制約，石墨負極材料的發(fā)展也遇到了瓶頸，比如比容量已經(jīng)到達極限、不能滿足大型動力電池所要求的持續(xù)大電流放電能力等。因此業(yè)界也開始把目光投向非石墨類材料，比如硬碳和其它非碳材料（氧化錫、硅碳合金、鈦酸鋰等）。第九頁，共47頁。v鋰離子電池的重要性v鋰離子電池能否成功應(yīng)用，關(guān)鍵在于能可逆地嵌入脫嵌鋰離子的負極材料的制備。v負極材料是鋰離子電池的主要組成部分，負極材料性能的好壞直接影響到鋰離子電池的性能。v高能便攜電源的需求激增，加大了對鋰離子小電池的需求，高容量、有著可靠循環(huán)性的負極材料成為(chngwi)人們研究的一個重點。v大容量動力電池的的應(yīng)用，加

8、大了對電池材料，尤其是高性能負極材料的需求。第二章 鋰電負極(fj)材料的發(fā)展和現(xiàn)狀第十頁，共47頁。鋰電負極材料(cilio)研究現(xiàn)狀l 鋰電負極材料要求具有：l 正負極的電化學(xué)位差大，從而可獲得高功率電池；l 鋰離子的嵌入反應(yīng)自由能變化小；l 鋰離子的可逆容量大，理離子嵌入量的多少對電極電位影響不大， 這樣可以保證電池穩(wěn)定的工作電壓；l 高度可逆嵌入反應(yīng)，良好的電導(dǎo)率，熱力學(xué)穩(wěn)定的同時還不與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；l 循環(huán)性好，具有較長循環(huán)壽命；l 鋰離子在負極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中具有高擴散速率；l 材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制作工藝簡單、成本低。l 目前，研究工作主要集中在碳材料和其它具有特殊結(jié)構(gòu)的化合物。目前，

9、鋰離子電池負極材料主要是：l 炭材料(石墨、無定性(dng xng)炭、炭纖維、焦炭、MCMB、納米炭管)l 非炭材料(合金、金屬及其氧化物)第十一頁，共47頁。鋰離子電池負極材料(cilio)發(fā)展圖第十二頁，共47頁。不同負極(fj)材料的能量密度第十三頁，共47頁。硅基合金負極(fj)材料錫基合金負極(fj)材料合金負極(fj)材料第十四頁，共47頁。xLi + Si = LixSi Li12Si17、Li13Si14、Li7Si3、Li22Si5等，其中Si完全嵌入鋰時形成的合金Li4.4Si，其理論容量達4200mAh/g 缺點：體積變化(binhu)大，造成合金的粉化，容量急劇下降

10、改性方法：引入非活性金屬，如鎳、鎂、銀等或者將Si納米化硅基合金負極(fj)材料 第十五頁，共47頁。錫與鋰可以形成Li22Sn4的合金，理論容量994mAh/g xLi + MNy = LixMNy 這種貯鋰方式受空間間隙位置的限制，所以貯鋰容量有限；對材料的結(jié)構(gòu)和體積沒有造成明顯變化，所以循環(huán)性能好，如Cu6Sn5在嵌鋰的第1步形成與Li2CuSn相關(guān)的相xLi + MNy = LixM + yN 貯鋰相在非常小的尺寸范圍內(nèi)，均勻分散于非活性基體內(nèi)的結(jié)構(gòu)，如Sn2Fe等 (x+y)Li + MNz = yLi + LixM + zN = LixM + zLiy/zN 這種反應(yīng)(fnyng)

11、方式獲得了兩個嵌鋰相相互很好地擴散的結(jié)構(gòu)，如SnSb等錫基合金負極(fj)材料第十六頁，共47頁。合金負極(fj)材料小結(jié) 鋰合金作為負極材料，具有能量密度高的優(yōu)點，但循環(huán)穩(wěn)定性差。第一種方案，通常納米(n m)化合金材料，如采用納米(n m)Si粉，或者Si納米(n m)薄膜。第二種方案，引入非活性成分，不與Li形成合金的金屬，降低活性成分，減小材料的膨脹。第三種方案，采用其氧化物 。第十七頁，共47頁。氧化物負極(fj)材料 硅、錫的氧化物尖晶石Li4Ti5O12 第十八頁，共47頁。由于硅和錫不可逆容量高，循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，一些研究者把眼光放到了它們的氧化物上。例如錫的氧化物：SnO2

12、,SnO等，硅的氧化物SiO0.8、SiO、SiO1.1等，或者兩者的復(fù)合氧化物是。氧化物的反應(yīng)機理可以認為是：第1步為取代(qdi)反應(yīng)：Li + MO2/MO一Li + M第2步為合金化反應(yīng)： Li + M LizM(0z4.4)Yoshio Idota等合成錫基非晶氧化物SnMxOy，M為B、P、Al的復(fù)合物。如：Sn1.0B0.56P0.40Al0.42O3.6（TCO）。1mol的TCO可以接受8mol的Li+，比能量密度大于600 mAh/g。 硅、錫的氧化物第十九頁，共47頁。尖晶石鈦酸鋰（Li4Ti5O12）(1)在鋰離子嵌入一脫出的過程中晶體結(jié)構(gòu)能夠保持高度的穩(wěn)定性，具有優(yōu)良

13、的循環(huán)性能和平穩(wěn)的放電電壓。(2)具有較高的電極(dinj)電壓，從而避免了電解液分解現(xiàn)象。(3)理論比容量為175 mAh/g，實際比容量可達165 mAh/g，并集中在平臺區(qū)域。(4)可以在較大倍率下充放電。(5)制備Li4Ti5O12的原料來源比較豐富。 第二十頁，共47頁。鈦酸鋰的制備(zhbi)方法 v固相反應(yīng)法v在固相反應(yīng)中，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時問以及混合方式均是影響Li4Ti50l2材料(cilio)性能的關(guān)鍵參數(shù)。v溶膠凝膠法v溶膠凝膠法合成Li4Ti5012一般將鈦酸丁酯和乙醇溶液按一定比例混合，再向其中加入一定量的乙酸鋰(一般Li：TiO2=4：5)、乙醇、去離子水等合成步驟見

14、下圖 第二十一頁，共47頁。鈦酸鋰的制備(zhbi)工藝第二十二頁，共47頁。一般而言，固相反應(yīng)受到合成條件的影響，可能導(dǎo)致材料不均勻，粒徑分布過寬，不易控制等缺點。溶膠凝膠法合成的材料顆粒分布均勻，結(jié)晶(jijng)性能好，立方晶體形貌規(guī)整。 第二十三頁，共47頁。可編輯(binj)第二十四頁，共47頁。含碳化合物負極(fj)材料 v含碳化合物負極材料有B-C-N、 C-Si-O等。vB-C-N系化合物通常是由炭素材料的先驅(qū)體與非金屬元素B，N或其化合物經(jīng)氣相反應(yīng)(fnyng)或固相反應(yīng)(fnyng)而合成，其結(jié)構(gòu)類似于石墨層狀結(jié)構(gòu)，故通常稱為B-C-N系類石墨材料。vB-C-N系化合物和C

15、-Si-O系化合物有較高的比容量，但其放電曲線為一“斜坡”，不象石墨材料那樣在低電位處有一個電位平臺。第二十五頁，共47頁。碳負極(fj)材料石墨類碳負極材料人造(rnzo)石墨天然石墨 非石墨類碳負極材料軟碳硬碳第二十六頁，共47頁。石墨類碳負極(fj)材料導(dǎo)電性好，結(jié)晶度較高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，適合鋰的嵌入脫嵌充放電比容量可達300 mAh/g以上，充放電效率在90以上，不可逆容量低于50 mAh/g 鋰在石墨中脫嵌反應(yīng)發(fā)生在00.25V左右(VsLi+/Li)，具有良好的充放電電位(din wi)平臺 第二十七頁，共47頁。人造(rnzo)石墨人造石墨是將易石墨化炭(如瀝青(lqng)

16、焦炭)在N2氣氛中于19002800經(jīng)高溫石墨化處理制得。常見人造石墨有中間相碳微球(MCMB)、石墨化碳纖維。第二十八頁，共47頁。MCMB第二十九頁，共47頁。MCMB的優(yōu)點(yudin)v球狀顆粒(kl)，便于緊密堆積可制成高密度電極v光滑的表面，低比表面積，可逆容量高v球形片層結(jié)構(gòu)，便于鋰離子在球的各個方向遷出，可以大倍率充放電第三十頁，共47頁。石墨(shm)化碳纖維v表面和電解液之間的浸潤性能非常好。v由于嵌鋰過程主要發(fā)生在石墨的端面，從而(cng r)具有徑向結(jié)構(gòu)的炭纖維極有利于鋰離子快速擴散，因而具有優(yōu)良的大電流充放電性能 。v放電容量大，優(yōu)化時可逆容量達315 mAh/g，不

17、可逆容量僅為10 mAh/g，首次的充放電效率達97% 。第三十一頁，共47頁。天然(tinrn)石墨v無定形石墨v形石墨純度(chnd)低，石墨晶面間距(d002)為0.336 nm。主要為2H晶面排序結(jié)構(gòu)，即按ABAB順序排列，可逆比容量僅260 mAh/g，不可逆比容量在100 mAh/g以上。 v鱗片石墨v晶面間距(d002)為0335 nm，主要為2H+3R晶面排序結(jié)構(gòu)，即石墨層按ABAB及ABCABC兩種順序排列。含碳99以上的鱗片石墨，可逆容量可達300350 mAh/g 第三十二頁，共47頁。鱗片石墨(shm)片層結(jié)構(gòu)的SEM照片第三十三頁，共47頁。天然石墨的球形化 克服(k

18、f)天然石墨缺陷提高天然石墨的振實密度 第三十四頁，共47頁。天然(tinrn)石墨改性 天然石墨不能直接用于鋰離子電池負極材料，最主要的原因是在充電過程中，會發(fā)生溶劑(rngj)分子隨鋰離子共嵌入石墨片層而引起石墨層“剝落”的現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)的破壞從而導(dǎo)致電極循環(huán)性能迅速變壞。當前對天然石墨的改性處理的研究很多，有機械研磨、氧化處理、表面包覆、摻雜等。第三十五頁，共47頁。機械(jxi)研磨 研磨能獲得一定含量(hnling)的菱形石墨相，菱形石墨相的存在對石墨表面SEI膜生成更有利，而且能提升材料的比容量及循環(huán)性能。 第三十六頁，共47頁。氧化(ynghu)處理 可以通過用氣相和液相氧化的方

19、法對天然石墨進行了氧化處理。溫和的氧化處理可以除去石墨顆粒表面一些活性或有缺陷的結(jié)構(gòu)，從而減少了首次循環(huán)中的不可逆容量、提高了充、放電效率。同時還增加了其中的納米級孔道，不僅增加的鋰離子的進出通道，而且更多的鋰離子可以儲存在內(nèi)，從而增加了可逆容量。此外還形成了與石墨顆粒表面緊密結(jié)合的、由羧基酚基、醚基和羰基(tn j)等組成的氧化物致密層，這種表面層起到了鈍化膜的作用，防止了溶劑分子的共嵌，從而避免了石墨中的層離和其沿a軸方向的移動，循環(huán)性能得到了改善。 第三十七頁，共47頁。炭包覆(bo f) 為了改善天然石墨的循環(huán)性能和提高其充、放電倍率，設(shè)法在天然石墨顆粒表面包覆上一層熱解炭，形成了以石

20、墨為核心的“核-殼”式結(jié)構(gòu)。目的是減緩炭電極表面的不均勻反應(yīng)性質(zhì)(xngzh)，以使得在炭電極表面生成SEI膜的溶劑或電解質(zhì)鹽的還原分解反應(yīng)能夠均勻進行，從而在炭材料電極表面能夠形成一層均勻、簿而致密、不易脫落的SEI。包覆的方法有氣相沉積、固相混合、液相浸漬等 第三十八頁，共47頁。摻雜(chn z) 適當?shù)囊虢饘倩蚍墙饘僭啬芴岣?t go)材料的電化學(xué)性能。非金屬元素有：硼、氮、硅、磷、硫等。金屬元素有：鉀、鎂、鋁、鎳、鈷、鐵等。 第三十九頁，共47頁。2.4.2 非石墨(shm)類碳負極材料v沒有明顯的(d002)面衍射(ynsh)峰，均為無定形結(jié)構(gòu)，由石墨微晶和無定形區(qū)組成 v無定

21、形區(qū)中存在大量的微孔結(jié)構(gòu) ,微孔可作為可逆貯鋰的“倉庫”，可逆容量在合適的熱處理條件下，均大于372 mAh/g，有的甚至超過1000 mAh/g v可以細分為軟碳和硬碳 第四十頁，共47頁。軟碳軟碳軟碳即易石墨化碳，是指在2000以上的高溫下能石墨化的無定形碳 結(jié)晶度(即石墨化度)低，晶粒尺寸小，晶面間距(d002)較大，與電解液的相容性好 首次(shu c)充放電的不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺電位 常見的軟碳有石油焦、針狀焦等 第四十一頁，共47頁。幾種(j zhn)軟碳一般不直接(zhji)用作負極材料，是制造人造石墨的原料，或者作為包覆材料改行天然石墨、合金等負極材料。第四十二頁，共47頁。硬碳難石墨化碳，是高分子聚合物的熱解碳，這類碳在3000的