锂离子电池碳负极材料研究进展

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1、锂离子电池碳负极材料的研究进展赵永胜（河北工业大学化工学院应用化学系，天津300130）摘要综述了锂离子电池碳负极材料中石墨化碳、无定形碳和碳纳米材料近几年的研究成果及发展方向，探讨了该类材料目前存在的问题及解决办法，对该类材料的发展趋势进行了展望。关键词锂离子电池负极材料碳材料ResearchprogressofcarbonanodematerialsforlithiumionbatteriesZhaoYongsheng（DepartmentofAppliedChemistry，SchoolofChemicalEngineeringandTechnology

2、，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130）Abstract：Theresearchachievementsonthreemainaspectsinthefieldoflithiumionbatterycarbonanodematerialsinrecentyears.Graphitizedcarbon,amorphouscarbon,carbonnano-materialsaresummarized.Theproblemsinthesematerialsandthefeasiblemethodstosolvethep

3、roblemsarediscussed.Finally,thedevelopingtrendoflithiumionbatterycarbonanodematerialsisprospected.Keywords：Lithiumionbatteries；anodematerials；carbonmaterials自1991年日本索尼公司开发成功以碳材料为负极的锂离子电池（LixC6/LiXInPC-EC（1:1）/Li1-xCoO2）以来（LiX为锂盐），锂离子电池已迅速向产业化发展，并在移动电话、摄像机、笔记本电脑、便携式电器上大量应用[1]。自锂离子电池的

4、商品化以来，研究的负极材料有以下几种：石墨化碳材料、无定向碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金[2]。本文着重对锂离子电池碳负极材料方面的研究进展进行评述。1.碳基负极材料的分类炭素材料的种类繁多，其结晶形式有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管等，非晶体的过渡形式则不胜枚举。对炭素材料有各种不同的分类方法。按照锂离子电池负极材料的发展方向，本文将碳材料分为石墨化碳和无定型碳[3]。1.石墨化碳的电极性能石墨类碳材料的嵌锂行为时目前研究的比较透彻并且已得到大家的公认。石墨中的碳原子为sp2杂化并形成片层结构，层与层之间通过范德华力结合，层内原子间是共价键结合

5、。在电化学嵌入反应过程中，部分溶剂化的锂离子嵌入时会同时带入溶剂分子，造成溶剂共嵌入，会使石墨片层结构逐渐被剥离。这在以PC为溶剂的电解液体系中特别明显。2.1天然石墨天然石墨是石墨化程度高、结晶完整、嵌入位置多、容量大。锂的可逆插入容量在合适的电解质中可达372mAh/g，即为理论水平[2]。其电位曲线变化如图1所示，具有明显的放电平台，且平台电位很低，一般不超过0.3V，故电池的端电压高，有高的比容量[4]。但由于墨片面容易发生剥离，因此循环性能不是很理想。通过改性，可以有效防止。对于普通的天然石墨而言，由于自然进化过程中石墨化过程不彻底，一般容量低于30

6、0mAh/g。第一次循环的充放电效率低于80%，而且循环性能也不理想。天然石墨作为负极材料在低温（例如－20℃）下的电化学行为也不理想，认为主要是锂离子在石墨中的扩散慢造成的。因此在改性时，锂离子在石墨中的动力学扩散是关键[5]。图1石墨的锂电位和容量的关系[4]2.2中间相微珠碳产业化的锂离子电池的负极材料均为碳材料，包括天然石墨、MCMB、焦炭等，在这些材料中，MCMB被认为是最具有发展潜力的一种碳材料，这不仅是因为它的比容量可以达300mAh/g。更重要的原因在于，与其他碳材料相比，MCMB的直径为5~40μm，呈球形片层结构且表面光滑，这赋予其以下独特

7、优点：球状结构有利于实现紧密堆积，从而可制备高密度电极；MCMB的表面光滑和低的比表面积可以减少在充电过程中电极表面副反应的发生，从而降低第一次充电过程中的库仑损失，球形片层结构使Li+可以在球的各个方面插入和放出，解决了石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片层溶胀、塌陷和不能快速大电流充放电的问题[6]。MCMB是焦油沥青在400~500℃加热成熔融状态时沉淀出的微球，再在700~1000℃热处理后可用作电池的负极材料[7]。但MCMB在微观结构仍为乱层无序状，若再进一步提高热处理温度到2000℃以上，MCMB微晶尺寸变大，呈现出明显的层状结构，得到石墨化程

8、度高的MCMB[8]。图2各向异性炭的