锂离子电池炭负极材料及其测试--150812.pptVIP

无定型碳-- 软碳 软碳即易石墨化碳，是指在2000℃以上的高温下能石墨化的无定形碳 ；软碳类材料是一种从无定型碳到石墨晶体的过渡态碳，一般以煤或石油为先驱物制成的，主要有沥青、针状焦、石油焦、碳纤维和碳微球等。 结晶度(即石墨化度)低，晶粒尺寸小，晶面间距(d002)较大，与电解液的相容性好。 首次充放电的不可逆容量较高，输出电压较低，无明显的充放电平台电位 。 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。 硬碳是指难石墨化的碳，是高分子聚合物的热解碳，如:酚醛树脂、聚苯树脂、蔗糖等材料炭化而成。是高分子聚合物的热解碳，这类碳在3000℃的高温也难以石墨化 。 硬碳主要是由单层碳原子层无序地彼此紧密连接而构成，锂离子在石墨材料中只能嵌入其碳原子层与层之间，而硬碳材料的结构为单原子层的无序结构，每层碳原子层两边均可以吸纳锂离子，另外，由于硬碳结构中可能存在均匀的无规则孔洞之类的结构，可以在其间形成由锂原子组成的锂原子层或锂原子簇，使其嵌锂容量至少为完美石墨的2倍，其锂碳的化学计量比为Li2C6，实验证明，可逆容量一般在550~900mAh/g。 无定型碳--硬碳 硬碳优点： 硬碳材料与PC基电解液相容性较好，因而可以在较低温下工作。 低造价 硬碳材料结构稳定，循环性很好：结构间距一般大于0.38nm，因此，嵌锂过程基本上不引起体积的变化，因而可以大大提高其循环寿命。 硬碳缺点： 电极电位过高； 电压滞后 ：即锂的嵌入反应在0~0.25V之间进行(相对于Li+/Li)，而脱嵌反应则在1V左右发生； 首次循环不可逆容量过大； 循环容量逐渐下降，一般经过12~20次循环后，容量降至400--500mA·h/g，这是已报道的大多数700℃左右热解碳样的共同特点。 电子电导较低，比MCMB低一个数量级，因此大倍率性能差。 硬碳优缺点 负极材料未来走向 锂离子电池负极材料未来将向着高容量、高能量密度、高倍率性能、高循环性能等方面发展。 锂离子电池负极材料基本上都是石墨类碳负极材料，对石墨类碳负极材料进行表面包覆改性，增加与电解液的相容性、减少不可逆容量、增加倍率性能还是目前应用研究的一个热点。 非石墨类碳材料和合金和其它氧化物负极材料，虽然容量很高，但是循环稳定性问题一直未能解决，对其的改性研究仍在探索中，得到大规模的实际应用尚需时日。 锂离子电池生产技术的差异将导致电池生产厂家与材料供应商的合作将更加密切，个性化的服务将成为必然。 炭负极材料测试 通常，锂离子电池碳负极材料是通过以下性能参数来评价其应用性能的：粒度、比表面积、振实密度、压实密度、粉末取向、粉末电导率、极片取向、极片电导率、极片吸液量、极片吸液速度、反弹性能、首次充放电效率、剥离强度、放电温度以及电化学性能等。 材料各个性能间是有一定联系的，比如取向性能好的材料，吸液速度往往相对较快；有些性能间也存在矛盾性，比如比表面积和首效。不管是材料开发还是材料应用中，都要根据需求，加强材料某方面性能，同时选择性的牺牲某些性能。 炭负极材料评价 序号 检测项目 单位 理化指标范围 1 粒度分布 μm 5.0～30.0 2 比表面积 m2/g 0.5～7.0 3 振实密度 g/cm3 0.70～1.60 4 真密度 g/cm3 2.10～2.27 5 松装密度 g/cm3 0.40～1.50 6 灰分 % 0.00～0.80 7 水分 % 0.00～0.05 8 挥发份 % 0.00～0.10 9 微量元素 ppm 0.0～30.0 10 pH值 　 6.0～8.0 粒度 材料的粒度大小决定了锂离子在材料内部的传输距离。粒度大，则锂离子传输距离大，则应用大粒度材料的电池不易进行大电流充放电。当大粒度材料配合适当的小颗粒填充间隙后，材料的振实密度增大，颗粒堆积紧密，适用于高能量密度电池。因此，通常容量型电池使用D50为17~20μm的材料，而动力电池则根据需求选用小粒度材料。加工性能方面，大颗粒要优于小颗粒材料。 比表面积 比表面积：指单位质量物料所具有的总面积，分外表面积、内表面积两类，国标单位㎡/g。 由于负极材料首次充放电过程中会在表面形成SEI膜，因此，不影响锂离子扩散速度的前提下，应尽量减少材料的比表面积；目前，通常使负极材料的外表尽量接近球形以减少外比表面积，同时，在内层尽量造就纳米级孔洞以改善材料的动力学过程。因此，在材料粒度、球形度、石墨化度相近的情况下，比表面积大的材料，其能承受的充放电电流较大。 CHAM RD Center CHAM Batter