天然炭材料做锂离子电池负极材料之分析

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1、天然炭材料做锂离子电池负极材料之分析第1章引言1.1选题背景及意义锂离子电池是sony公司在1990年首先在市场上推出的新型二次电池，相比铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池，具有高比容量、高工作电压、无记忆效应、长寿命等诸多优点，迅速成为了如笔记本电脑、移动、电动工具等的主流便携能源。2009年全年锂离子电池产销数量接近31亿只，相关行业研究报告预测2018年小型消费锂离子电池的市场规模将达到180亿美元。进入新世纪以来，低碳经济和低碳生活越来越被人们所提倡，取代使用燃油动力的混合动力/纯电动汽车得到了各国政府的重视和政策鼓励，动力锂离子电池作为混合动力/纯电动汽车的主流能源，作为

2、电动车发展的关键技术，成为了相关领域研究的焦点，各国纷纷加大投入进行研发，如美国的FreedomCarandVehicleechnology计划，日本启动的先进储能电池基础科学研究计划等，我国自2001年起设立电动车重大科技专项，累积投入的科研经费近10亿元,其中的研究重点均包括动力锂离子电池的研发。除了应用于电动汽车以外，动力锂离子电池还是电动工具首选的配套电源，这方面的市场相当巨大，2010年全年用于电动工具上的锂离子电池达到了近3亿只。近来与太阳能发电、风能发电等新型环保能源相配套的储能电池是各国科技发展的一个重点，包括美国、中国在内的大多数国家都把锂离子电池作为储能电

3、池的首选。无论是稳步提升的消费类锂离子电池的需求量，还是快速发展的动力型锂离子电池、需求巨大的储能电池，都预示着锂离子电池巨大的发展前景。影响锂离子电池性能最重要的是电极材料，它直接决定了锂离子电池的比容量、使用寿命和电池成本等。目前商用的正极材料普遍采用的是钴酸锂，锰酸锂，镍钴锰三元素复合材料和磷酸铁锂等。其中钴酸锂正极材料的研究和商业化应用均已成熟，而锰酸锂，镍钴锰三元素复合材料和磷酸铁锂则是动力锂离子电池正极材料研究的重点。负极材料方面，商用的锂离子电池均采用的是炭材料，包括人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、MCMB等。人造石墨以其稳定的电化学性能牢牢占据着高端锂离子电池

4、市场，而天然石墨具有高容量和低成本，已经取代人造石墨占领了锂离子电池负极中低端市场，现在天然石墨负极材料的用量已经超过人工石墨。目前新型负极材料的研发重点集中在Si、Sn、金属氧化物以及如纳米碳管、石墨烯等纳米材料上，这些新型负极材料的突出特点是理论比容量高，国外某些企业已经推出了采用新型负极材料的锂离子电池，如2011年sony公司推出的一款新型锂离子电池，采用非晶化的Sn作为负极，正极采用LiCoO2,容量相比采用炭材料做为负极的电池提高了25%。我国是锂离子电池生产和消费大国，但在锂离子电池的研发和生产上，距离美日韩等国还有相当的差距，特别是在电极材料上。因此电极材料的

5、研究对我国锂离子电池整个产业链的发展具有重大的意义。我国具有丰富的天然石墨资源，其中鳞片石墨探明的储量1.7亿吨，占世界已探明总储量的一半以上，已探明的微晶石墨储量为5千万吨，居世界前列，但天然石墨长期作为原料直接出口，经济附加值低。近些年来，随着改性球形鳞片石墨做为锂离子电池负极材料技术逐渐成熟，相关项目纷纷上马，造成了天然鳞片石墨价格稳步升高。而微晶石墨由于提纯和整形方面的困难，目前还未得到系统的研究。微晶石墨具有各向同性的性质，相比鳞片石墨表现出不同的电化学性能，且成本更低，可以作为锂离子电池负极材料。成本一直是制约锂离子电池发展的重要因素。随着我国石墨深加工行业的发展

6、，天然石墨的价格逐步上升，造成以天然石墨为原料的负极材料价格升高。我国具有丰富的煤炭资源，对煤炭进行石墨化处理可以得到具有石墨结构的类天然石墨结构，其成本约为天然石墨的1/4~1/3，无疑具有巨大的成本优势，目前相关领域仍处于空白。因此对采用微晶石墨和石墨化煤炭等天然炭材料制备锂离子电池负极材料进行研究，提高其电化学性能，具有重大的科学意义和工程价值。1.2锂离子电池工作原理锂离子电池的充放电工作原理是通过锂离子在正极和负极之间的移动和嵌入脱出来实现电池的充放电，因此锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池。除了正负极材料以外，一个完整的锂离子电池结构还包括隔膜、电解液、导电剂、

7、粘结剂、集流体以及电压控制和管理的元件。目前商用的隔膜主要由美国HoechstCelanese公司的Celgard系列（聚乙烯、聚丙烯或两者混合）、日本Tonen公司的Setela系列（聚乙烯）和日本AsahiKaseiEMaterials公司的HiPore系列（聚乙烯）所垄断。电解液包括有机溶剂和锂盐两部分，常用的有机溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸丙烯酯（PC）等，研究表明，提高有机溶剂的离子电导率需要提高比介电常数和黏度，但单一体系的有机溶剂很难同时满