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石墨在锂电池中的应用现状及发展方向


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  2020年12月16日,中国粉体网旗下粉体公开课平台将举办首届“2020石墨基锂离子电池负极材料研究网络研讨会”,届时来自中南大学冶金与环境学院教授、博士生导师杨娟将作《石墨在锂电池中的应用现状及发展方向》报告,将从石墨的种类、衍生材料、复合材料等方面分析石墨在锂电池中的应用现状及其在下一代高能量密度、高功率密度锂电池中的应用潜力和发展方向。

中国粉体网讯  石墨被国际公认为是“21 世纪支撑高新技术发展的战略资源”。随着全球经济环境改善,石墨在战略性新兴行业的应用,尤其是在新能源汽车等行业的应用将会快速增加。


石墨:理想的负极材料


天然石墨是在高温下有机成因的碳质物变质而成,呈钢灰色、黑灰色,具有半金属光泽,晶体结构属六方晶系,呈六边形层状结构,具有耐高温、导热、导电、润滑、可塑和抗腐蚀性等特性。


石墨是较早应用的负极材料,与其他碳材料相比,其导电性、结晶度更高,良好的层状结构和充放电电压也十分适合正极材料的脱/嵌运动,且目前工艺成熟、成本较低,是较为理想的负极材料。


改性:优化负极材料的性能


石墨负极一般采用天然鳞片石墨,但存在以下几个缺点:


(1)鳞片石墨粉具有较大的比表面积,对负极的首次充放电效率有较大影响;

(2)石墨的片层结构决定了Li+只能从材料端面嵌入,并逐渐扩散入颗粒内部,由于鳞片石墨的各向异性,Li+扩散路径较长且不均匀,导致其比容量较低;

(3)石墨的层间距较小,增加了Li+的扩散阻力,且倍率性能较差,快速充电时Li+易在石墨表面沉积形成锂枝晶,导致严重的安全隐患。


为了解决这些问题,可以采用颗粒球形化、表面氧化、表面氟化、表面包覆软碳、硬碳材料以及其它方式的表面修饰和微结构调整等技术对天然石墨进行改性处理。从成本和性能的综合考虑,目前工业界石墨改性主要使用碳包覆工艺处理。商业化应用的改性天然石墨比容量为 340~370 mA•h/g,首周库仑效率 90%~93%,100% DOD 循环寿命可达到 1000次以上,基本可以满足消费类电子产品对小型电池性能的要求。


创新:挖掘石墨应用潜力


随着新能源汽车、3C等产业的迅速发展,人们陆续瞄准锂离子电池新的技术方向,追求高能量密度、高功率密度以及更长寿命等更高性能,这对石墨负极提出了更高的要求。


石墨精矿经进一步深加工可获得石墨制品,如石墨烯、球化石墨、可膨胀石墨、柔性石墨、氟化石墨、核石墨、浸硅石墨等高端产品。而这些高端产品的开发利用又会将石墨在锂电池中的的应用提升到一个新的高度。如石墨烯具有优良的导电性、能够缓解电极材料的体积膨胀等,从而大幅提高动力电池的性能,因此石墨烯在锂离子电池的正极、负极、集流体、隔膜、导电添加剂等方面应用较广,未来市场前景尤为广阔,是现在研究关注的热点。球形石墨具有良好的导电性、结晶度高、成本低、理论嵌锂容量高、充放电电位低且平坦等特点,是国内外锂离子电池生产用负极材料的换代产品。


随着电动汽车和锂离子电池在中国和世界其他地区的普及率上升,Roskill 预测,到 2026 年,全球电池应用对石墨的总需求将增长 16% ~26%。2020年12月16日,中国粉体网旗下粉体公开课平台将举办首届“2020石墨基锂离子电池负极材料研究网络研讨会”,届时来自中南大学冶金与环境学院教授、博士生导师杨娟将作《石墨在锂电池中的应用现状及发展方向》报告,将从石墨的种类、衍生材料、复合材料等方面分析石墨在锂电池中的应用现状及其在下一代高能量密度、高功率密度锂电池中的应用潜力和发展方向。


 


杨娟教授简介


杨娟,女,1983年11月生,工学博士,中南大学冶金与环境学院教授,博士生导师,湖南省普通高校青年骨干教师。长期从事新能源材料与器件方向的教学与科研工作。已主持完成国家自然科学基金项目、国际合作与交流项目、国家重点研究计划项目子课题、重大横向科研课题等10余项。以第一作者或通讯作者在材料、电化学、新能源领域的Green Chemistry、Journal of Materials Chemistry A等国际期刊上发表论文50余篇,其中ESI高被引论文5篇;以第一发明人获授权发明专利10余项;获省部级科技进步一等奖1项、二等奖3项;获湖南省高等教育省级教学成果奖二等奖1项以及第二届全国高校冶金院长(青年教师类)奖。


参考资料:

陆浩等.锂离子电池负极材料产业化技术进展

时杰等.石墨基锂离子电池负极材料研究进展

左力艳等.全球石墨资源产业现状分析与我国石墨行业发展建议


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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