鋰離子動(dòng)力鋰電池負(fù)極材料的概述

負(fù)極材料是鋰離子和電子在電池充電過程中的載體，起著能量?jī)?chǔ)存和釋放的用途。陰極材料約占電池成本的5%-15%，是鋰離子電池的重要原料之一。

鋰離子電池負(fù)極材料全球銷量約10萬(wàn)噸，重要產(chǎn)自我國(guó)和日本。根據(jù)目前新能源汽車的上升趨勢(shì)，對(duì)陰極材料的需求也將呈現(xiàn)持續(xù)上升的狀態(tài)。目前，世界上鋰離子電池正極材料仍以天然/人工石墨為主，介相碳微球(MCMB)、鈦酸鋰、硅基正極、HC/SC、金屬鋰等新型正極材料也在迅速發(fā)展。

作為鋰離子包埋載體，陰極材料應(yīng)滿足以下要求:

插入負(fù)極矩陣的鋰離子的氧化還原電位盡可能低，接近金屬鋰的氧化還原電位，使電池的輸入電壓高。

在基體中大量的鋰可以可逆地插入和脫嵌以獲得高容量。

在插入/脫嵌過程中，負(fù)極的重要結(jié)構(gòu)基本沒有變化。

隨著Li的插入和釋放，氧化還原電位的變化要盡可能的小，這樣電池的電壓變化就不會(huì)太大，充放電也能保持穩(wěn)定。

所插入的化合物應(yīng)具有較好的導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，以減少極化，實(shí)現(xiàn)大電流充放電。

重要材料具有良好的表面結(jié)構(gòu)，能與液體電解質(zhì)形成良好的SEI。

所插入的化合物在整個(gè)電壓范圍內(nèi)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在SEI形成后不會(huì)與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

鋰離子在主材料中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于快速充放電。

從實(shí)用的角度來(lái)看，這種材料應(yīng)該具有更好的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境的友好性。

Dicarbon陽(yáng)極材料

下圖是常用碳陽(yáng)極材料的分類。

2.1石墨陽(yáng)極

石墨，英文名石墨，手感柔軟、油膩，是一種非金屬礦物，具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、抗熱震、強(qiáng)度強(qiáng)、韌性好、自潤(rùn)滑強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電性強(qiáng)等獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。

石墨具有許多優(yōu)異的性能，因此廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、電氣、化工、紡織、特種等工業(yè)部門，如石墨模具、石墨電極、石墨耐火材料、石墨潤(rùn)滑材料、石墨密封材料等。我國(guó)是世界上石墨儲(chǔ)量最豐富的國(guó)家，也是世界上最大的石墨生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，在世界石墨工業(yè)中占有重要地位。據(jù)國(guó)土資源部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水晶石墨儲(chǔ)量為3085萬(wàn)噸，基本儲(chǔ)量為5280萬(wàn)噸。隱晶質(zhì)石墨儲(chǔ)量1358萬(wàn)噸，基本儲(chǔ)量2371萬(wàn)噸。

理想的石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，其中SP2的碳原子形成一個(gè)類似苯環(huán)的巨大平面。層間碳原子間的鍵長(zhǎng)為0.142nm，鍵角為120。這些層之間也有一個(gè)連接所有碳原子的大鍵。中間層為0.3354nm。兩種晶體類型:六角系統(tǒng)-2h(a)和菱角水晶系統(tǒng)-3r(b)Ø2晶體結(jié)構(gòu)可以相互轉(zhuǎn)換:研磨和供暖。

鋰的石墨包埋機(jī)理

石墨的理論容量為372mAh/g，當(dāng)然，只有很高的石墨化率的材料才能達(dá)到這個(gè)值。然而，所有的碳材料在第一次充放電后都會(huì)由于副反應(yīng)而出現(xiàn)不可逆的容量損失。隨著負(fù)極電勢(shì)的減小，電解液中的成分停止，直至在負(fù)極表面形成穩(wěn)定的鈍化膜(SEI)。第一次放電出現(xiàn)了4個(gè)電壓平臺(tái)(如下圖所示)，其中A為SEI的形成，大部分石墨容量在0.3~0.005v之間。除了A，不同的電壓平臺(tái)對(duì)應(yīng)不同的鋰嵌入狀態(tài)，分別稱為四階和三階化合物。最終形成理論容量為372mAh/g的LiC6，晶體表面間距為0.37。(從書刊上看，不懂噴劑!)