锂离子动力电池负极材料教学文稿.ppt

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1、锂离子动力电池负极材料不同负极材料的能量密度一、碳材料的种类及结构碳材料的结构可以从晶体学、堆积方式和对称性等多个角度来划分。从晶体学角度而言划分为：——晶体和无定型。从堆积方式可以分为：——石墨、软碳、硬碳§碳负极材料材料的结构1、ABAB…..六方形结构—2H2、ABCABC…菱形结构——3R石墨存在两种晶体结构：六方形结构和菱形结构，六方形结构为ABABAB…堆积模型、菱形结构为ABCABCABC…堆积模型，如上图所示：（a）为六方形结构，（b）为菱形结构。二.碳材料的电化学性能1.石墨化碳材料石墨导电性好，结

2、晶程度高，具有良好的层状结构，十分适合锂离子的反复嵌入和脱出，是目前应用最广泛、技术最成熟的负极材料。锂离子嵌入石墨层间后，形成嵌锂化合LixC6（0≤x≤1），理论容量可达372mAh/g（x=1），反应式为：xLi++6C+xe-→LixC6锂离子嵌入使石墨层与层之间的堆积方式由ABAB变为AAAA，如下图所示。二.碳材料的电化学性能1.石墨化碳材料①锂的插入定位在0.25V以下（相对于Li+/Li电位)；②形成阶化合物；最大可逆容量为372mAh／g，即对应于LiC6一阶化合物。一阶化合物LiC6的层间距为0.

3、37nm，形成AAA堆积序列。插锂过程石墨化碳材料在锂插入时，首先存在着一个比较重要的过程：形成钝化膜或电解质—电极界面膜（Solid-ElectrolyteInterface，SEI)。其形成一般分为以下3个步骤：①0.5V以上膜的开始形成；②0.55—0.2V主要成膜过程；③0.2V才开始锂的插入。如果膜不稳定，或致密性不够，一方面电解液会继续发生分解，另一方面，溶剂会发生插入，导致碳结构的破坏。表面膜的好坏与碳材料的种类、电解液的组成有很大的关系。SEI膜在锂离子电池的首次放电过程中,负极材料与电解液界面处会发

4、生不可逆反应，电解液/质发生分解反应在材料表面形成一层固态电解质膜，此即为上述所谓的SEI膜（电极界面膜Solid-ElectrolyteInterface，SEI）。SEI膜主要由Li2CO3、烷氧基锂以及LiF等组成，其结构还受电极材料结构、电流密度、电解液温度等影响。SEI膜对于电极材料的影响：1.SEI膜的形成消耗了部分电解质,增加了不可逆容量，使首次库仑效率降低。2.SEI膜对电子绝缘，而允许锂离子穿过，但是其形成增加了锂离子的扩散电阻，从而影响倍率性能。3.锂离子电池循环过程中SEI膜会脱落，产生的碎片会

5、在电解液中发生电泳现象，从而进一步加重电池内阻。4.在高倍率充放电时负极材料表面的SEI膜会变厚，从而引起电池内阻的大幅度增加，从而影响锂离子电池的倍率性能。5.但是，稳定的SEI膜可以阻止有机电解液分子与电极材料接触，抑制电解液的嵌入，利于提高循环稳定性。2、无定形碳材料它的主要特点为：1、制备温度低，2、其002面对应的X射线衍射峰比较宽，层间距d002一般在0.344nm以上。存在的问题1、与溶剂相容性问题，造成层间剥落2、过低的插锂电位，造成过充时锂的沉积；3、相对低的比容量；4、锂的扩散系数较低。解决的方法

6、1、对材料进行改性2、新材料的研制三.碳材料的改性1、引入非金属(硼、氮、硅、磷、硫)2、引入金属元素3、表面处理氧化处理表面涂层磷元素引入到石油焦中主要是影响碳材料的表面结构，使碳材料的层间距增加，石墨晶体变大，掺杂效果导致可逆容量高达550mAh／g。1、引入非金属2、引入金属元素钾引入到碳材料中是通过首先形成插入化合物KC8增大了层间距，有利锂的插入。铝和镓——它们与碳原子形成固溶体，组成的平面结构中，由于铝和镓的PZ轨道为空轨道，因而可以储存更多的锂，提高可逆容量。3、表面处理氧化处理主要方法有：气相氟化和

7、氧化、液相氧化、等离子处理、形成表面层等。1、一方面将一些不规则结构如SP3杂化碳原子、碳链等除去；2、另一方面形成一些纳米级微孔或通道，这样增加锂插入和脱插的通道，同时也增加锂的储存位置，有利于可逆插锂容量的提高。3、另外，表面形成—C—O—等与石墨晶体表面发生紧密结合,在锂插入的过程中形成致密钝化膜，减少了溶剂分子的共插入，从而抑制电解液的分解。石墨化碳负极材料人造石墨是将易石墨化炭(如沥青焦炭)在N2气氛中于1900～2800℃经高温石墨化处理制得。常见人造石墨有中间相碳微球(MCMB)、石墨化碳纤维。中间相碳

8、微球(MCMB)中间相碳微球(MCMB)的优点球状颗粒，便于紧密堆积可制成高密度电极光滑的表面，低比表面积，可逆容量高球形片层结构，便于锂离子在球的各个方向迁出，可以大倍率充放电石墨化碳纤维表面和电解液之间的浸润性能非常好。由于嵌锂过程主要发生在石墨的端面，从而具有径向结构的炭纤维极有利于锂离子快速扩散，因而具有优良的大电流充放电性能。放电容量