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5e科普 改性天然石墨在锂离子电池上的应用

来源:未知   作者:admin    发布时间: 2018-08-08 15:40   浏览:

5e科普 改性天然石墨在锂离子电池上的应用

  锂离子电池,又称为摇椅电池,首要构成片面是正极、负极、隔阂及电解液。目前锂离子动力电池正极凡是采用尖晶石型 LiMn2O4或镍下层状氧化物,负极以石墨为主,电解液为含 LiPF6 的碳酸酯(EC,EMC)有机溶液。LiMn2O4是一种被以为最平和的质料,也是最便宜的正极质料,依然被众种型号的动力电池采用。Li(NiCo)O2 容量高,但平和机能较差,需通过掺杂改性并限度其利用电压等机谋来改良其平和机能;从整车平和和电池本钱斟酌,磷酸铁锂LiFePO4 平和性好、寿命长,是最适合正在汽车动力电池上利用的锂离子电池正极质料。

  锂离子电池以其高容量、高电压、高轮回安祥性、高能量密度、无境遇污染等优异的机能倍受青睐,被称为21世纪的绿色能源和主导电源,具有渊博的民用和邦防利用前景,其利用规模不停扩展,不但依然渊博而凯旋地利用于种种便携式电子产物,依然开端向动力电池对象成长。目前锂离子电池及其闭节质料已成为各邦闭切的一个科技和工业核心,也是我邦能源规模要点扶植的高新工夫工业。锂离子电池杀青贸易化到现正在,所用的负极质料最成熟,利用最广的是碳质料,此中最首要的仍旧是石墨。自然石墨有着本钱低、结晶水平高,提纯、打垮、分级工夫成熟,充放电电压平台低,外面比容量上等根蒂上风。然而自然石墨的构造缺陷导致初次功用低,轮回差。以是斥地改性自然石墨本领,势正在必行。

  锂离子电池能量密度正在很大水平上取决于负极质料,从锂离子电池杀青贸易化到现正在,所用的负极质料最成熟,利用最广的是碳质料,此中最首要的仍旧是石墨 。石墨具有六元环碳网层状构造,碳碳之间是SP2 杂化的,层层之间是分子效力力贯穿。石墨中存正在两种分歧的晶体构造:六面体石墨(2H)和菱面体石墨(3R)。2H相具有ABABA特质聚积,3R相的聚积构造则是ABCABC。两种相能够互相转折,2H相是热力学安祥,正在石墨中较众,约占总体的五分之四正在锂离子电池负极质料中,自然石墨和人制石墨不停是利用最大的负极质料,可是人制石墨因为正在生 产进程中须要高温处置,使其临盆本钱大幅进步并对境遇出现晦气影响,相看待人制石墨而言,自然石墨有良众好处,它的本钱 低、结晶水平高,提纯、打垮、分级工夫成熟,充放电电压平台低,外面比容量上等,这些为其正在锂离子电池行业的利用奠定了 杰出的根蒂。

  外外氧化首要是正在不规整电极界面(锯齿位和摇椅位)处临盆酸性基团(如-OH,-COOH 等),嵌锂前这些基团能够遏止溶剂分子的共嵌入并进步电极/电解液间的润湿性,裁减界面阻抗,初次嵌锂时转折为羧酸锂盐和外外-Oli基团,酿成安祥的SEI膜。其它,氧化能够出去石墨中的极少缺陷构造,出现的纳米级微孔做外非常的储锂空间,进步储锂容量。

  通过外外包覆,减小石墨的比外外积,减小酿成SEI膜花消掉的锂,进而进步质料的初次库仑功用;通过外外包覆,裁减石墨外外的活性点,使外外本质均一,避免溶剂的共嵌入,裁减弗成逆亏损。

  外外氧化一般搜罗气相氧化和液相氧化两种。气相氧化首要是以氛围,O2,O3,CO2,C2H2等气体为氧化剂,与石墨举行气固界面反响,裁减石墨外外的活性点,低重初次弗成逆容量亏损,同时,天生更众的微孔和纳米孔道,填充锂离子的存贮空间,有利于进步可逆容量,改良负极机能。吴宇平等将平凡的自然石墨正在500 ℃下用氛围做氧化剂来举行氧化改性。改性后石墨构造的安祥性得以进步,正在去缺陷构造的同时填充了纳米级微孔及通道数目。此外,氧化时酿成的氧化层与石墨联合周密,酿成致密的钝化膜,提防了电解液对石墨的溶剂化反响,进步了石墨的可逆容量。液相氧化法是运用硫酸铈、硫酸、硝酸、过氧化氢等强氧化剂溶液,通过液相-固相反响来杀青。尹鸽平等运用硫酸和过硫酸铵饱和溶液对自然石墨举行外外氧化,将石墨的可逆容量进步至349 mAhg-1,初次库仑功用有必定进步。

  石墨负极质料的外外包覆改性首要搜罗碳包覆、金属或非金属及其氧化物包覆和集中物包覆等。通过外外包覆杀青进步电极的可逆比容量、初次库伦功用、改良 轮回机能和大电流充放电机能的方针。石墨质料外外包覆改性的起点首要有以下两点:

  行动锂离子电池负极石墨时,微晶石墨和鳞片石墨均有初次弗成逆容量大的弊端,且鳞片石墨轮回机能和大电流充放电机能差,于是,正在利用时,磋商者们往往重视于对自然石墨举行改性磋商,改良其自己构造弊端,擢升电池的机能。此中,对石墨负极改性首要有外外处置、外外包覆以及元素掺杂等机谋,下面将对其改性磋商周到说明。

  正在锂离子嵌入脱嵌进程中体积蜕变小,构造相对安祥,可是可逆比容量仅260 mAh/g,弗成逆比容量正在100 mAh/g以上。鳞片石墨的结晶度高,片层构造单位化大,具有分明的各向异性。这种构造确定了石墨正在锂嵌入和脱嵌进程中体积出现较大的蜕变,导致石墨层构造捣蛋,进而酿成较大的弗成逆容量亏损和轮回机能 的猛烈恶化。

  正在石墨外包覆一层无定形碳制成核-壳构造的C/C复合质料,使无定形碳与溶剂接触,避免溶剂与石墨的直接接触,遏止因溶剂分子的共嵌入导致的石墨层状剥离气象,扩展了电解液的选拔范畴,王邦平等人将自然鳞片石墨制成球形石墨,正在其外外包覆一层纳米非石墨化碳质料制成具有核-壳构造的改性球形石墨,改性后的球形石墨振实密度分明擢升,且可逆容量擢升至365 mAh·g-1,同时,初次库仑功用和轮回安祥性也获得明显地擢升。

  自然石墨分无定形石墨(土状石墨或微晶石墨)和鳞片石墨两种。外面容量为372 mAh/g。无定形石墨纯度低,石墨晶面间距(d002)为0.336 nm。首要为2H晶面排序构造,即石墨层按ABAB……纪律排,单个微晶之间的取向大白各项异性,但始末加工,微晶颗粒互相之间有必定的交互效力,酿成块状或颗粒状的粒子时具有各向同性本质。且酿成的块状颗粒容易打垮成形态较好的颗粒。