聚合物锂电池负极材料:石墨和碳负极材料的研究

来源:聚合物锂电池   2019-11-16  阅读数:

  聚合物锂电池负极材料:石墨和碳负极材料的研究。进几年以来,在国家政策的推动下,新能源汽车的快速发展,国内动力电池企业也大幅扩产,锂电池负极材料的需求大增。碳基负极材料具有原料丰富、成本低廉、可逆容量较大及倍率性能良好等优点,备受国内外专家、学者的关注。本篇文章就来讨论石墨类材料和碳负极材料的研究。

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  石墨和碳负极材料的研究

  国内现有负极产品主要为碳材料和非碳材料,其中碳材料又可以分为石墨类碳材料和无定型碳材料,石墨类碳材料应用比较多的是天然石墨和人造石墨;而非碳材料方面主要包括锡基材料、硅基材料、氮化物、钛基材料,其中硅基材料和钛基材料在市场上有少量应用。

  迄今已研究过的碳负极材料有石墨化碳和非石墨化碳。其中,石墨以充放电电压平台低、循环稳定性高和成本低等优点,被认为是目前聚合物锂电池应用中较为理想的负极材料。目前天然石墨的改性研究已经取得了一定的进展,并已有商业化应用。

  石墨类材料

  石墨是层状晶体,由无数石墨片层在范德华力作用下堆叠形成。石墨含有两个不同表面,层与层之间的平面为基面,与基面垂直的表面为棱面,棱面又包括之字形面和摇椅面,棱面表面通常存在含氧的官能团。

  石墨类材料本身的包覆状态也会影响负极的性能,一般会包覆一些无定型的碳材料,从而改善负极的界面阻抗,改善低温以及循环性能。而随着电池能量密度的提升,石墨负极的容量利用率也逐渐接近理论值,同时压实也会越来越高,这就要求石墨负极的稳定性也要随之提高,目前而言,掺杂和包覆仍然是处理的一个主流手段,改性以后可以使石墨负极在循环过程中的结构以及表面状态得到保护,增强了循环的稳定性。

  碳负极材料

  炭素材料的种类繁多,其结晶形式有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管等,聚合物锂电池的碳负极最先商业化应用的是非石墨化炭材料,1993-1994年松下电池工业公司和三洋电机公司进人市场后采用了容量更高的石墨化炭材料,从此两大类碳材料的竞争也山此展开。

聚合物锂电池负极材料

  两类碳负极的实际应用情况虽然没有准确的统计数据,但有专家估计目前市售的聚合物锂电池中有75%以上的负极材料采用的是石墨类碳负极材料。虽然目前有很多具有发展前景的非碳类负极有可能应用于聚合物锂电池领域,但他们仍将面临很多的挑战,因此今后在很长一段时间内,聚合物锂电池容量的提高仍将依赖于碳负极材材料的发展和完善。

  目前,全球负极市场已趋于稳定,需求量每年稳步增长,但是成本价格上升、负极企业增多、行业竞争加剧等导致了行业整体利润被压缩,预计在今后的几年里全球负极材料产量增速会逐渐放缓,新材料、新技术的开发与应用将是行业突破瓶颈的关键。