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苏绍斌 负极材料 培 训 篇 2012年3月8日 目录 一、锂离子电池负极材料作用原理 二、锂离子电池各种负极材料介绍 三、锂离子电池负极材料发展状况 四、锂离子电池负极材料发展展望 一、锂离子电池负极材料作用原理 1. 电池的定义和基本原理 电池是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。 一、锂离子电池负极材料作用原理 正极反应式：LiCoO2 Li1-XCoO2+XLi++Xe 负极反应式：XLi++6C+Xe LiXC6 总反应方程式：LiCoO2+6C Li1-XCoO2+LiXC6 一、锂离子电池负极材料作用原理 原理图 一、锂离子电池负极材料作用原理 2. 负极材料的基本性质 锂离子电池能否成功应用，关键还在于能否制备出可逆地脱／嵌锂离子的负极材料，这类材料要求具有： ①在锂离子的反应中自由能变化小； ②锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率； ③高度的可逆反应； ④有良好的离子电导率； ⑤热力学性质。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 锂离子电池的发展经历了曲折的过程．早期的负极材料采用的是金属锂，它是比容量最高的负极材料．但是充电时，负极表面会形成枝晶，造成电池软短路，使电池局部温度升高而熔化隔膜(电极在初次充放电时其表面生成的钝化膜)，软短路变成硬短路，电池被毁甚至爆炸起火．解决这一问题的有效途径就是寻求一种能替代金属锂的负极材料． 二、锂离子电池各种负极材料介绍 1.碳负极材料 最先被用来取代金属锂而作为锂离子电池负极材料的是碳材料．由于碳材料具有比容量(200—400mA·h／g)高、电极电位(1．0 V VS．Li ／Li)低、循环效率高(95％)、循环寿命长和安全性能良好等优点，所以碳材料被广泛地用作锂离子电池的负极材料．目前，用作锂离子电池负极的碳材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等． 二、锂离子电池各种负极材料介绍 1.1软碳 软碳层状结构排列无序，因此锂离子的 嵌入/脱嵌较困难；同时由于内表面较大，须 形成的SEI层较多，因此不可逆容量损失较 大。此外放电过程电压变化较大。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 二、锂离子电池各种负极材料介绍 软炭主要有针状焦、石油焦、炭纤维、非石墨化中间相炭微球等。 其中炭纤维高倍率放电性能好，嵌锂可逆性好，容量较大，制造中直径不好控制；焦炭为乱层构造，电压变化较倾斜，首次充放电有3O％ ～4O％ 的不可逆容量损失，但无剥落平台。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 1.2中间相炭微球（MCMB） 制备和应用开始于2o世纪60-70年代，但直到2O世纪9O年代才有在锂离子电池中应用的文献报道。1992年Yamaura等人在第六届国际锂电池会议上报道了采用中间相炭微球作负极的锂离子二次电池，此后MCMB在锂离子电池中的应用得到了各大电池生产企业和广大研究者的关注。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 MCMB的优点： (1)MCMB本身具有球状结构，堆积密度大； (2)比表面积小，减少了充电时电解液在其表面生成SEI膜等副反应引起的不可逆容量损失，还可以提高安全性； (3)MCMB具有层状分子平行排列结构，有利于锂离子的嵌入与脱嵌。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 MCMB的缺点： (1) 碳微球加工复杂。 (2) 价格比较高 (3)容量提升困难。一般在280~320之间。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 1.3天然石墨 石墨是最早用于锂离子电池的碳负极材料， 石墨可以分为天然石墨和人造石墨，其结构是层 状结构，其碳原子呈六角形排列并向二维方向延 伸，层间距为0．335 nm，成本低、比容量高 、导电性好、初充电效率高、充放电电压曲线 稳定、插锂电位低等特性。 二、锂离子电池各种负极材料介绍 石墨作负极也存在许多缺点： 充放电循环过程中形成SEI膜，造成基体膨胀和容量损失，同时使石墨层发生剥落现象而降低寿命； 石墨材料与溶剂相容性差； Li 只能从片状边界嵌入和脱出，由于嵌入／脱出反应面积小，扩散路径长，不适应大电流充放电； 石墨热处理温度通常需在2 000℃ 以上，使生产成本增加； 当电位达0 V 或更低时，石