石墨负极材料在锂电池中的关键作用

石墨负极材料在锂电池中的关键作用

石墨负极材料是锂离子电池的关键组成部分，其性能直接影响电池的能量密度、循环寿命和安全性。本文将详细介绍石墨负极材料的分类、应用、储能原理、研究进展以及表征方法，帮助读者全面了解这一重要材料。

石墨负极材料的分类与应用

石墨负极材料可分为天然石墨和人造石墨两种。

• 天然石墨是从岩石中开采出来的，根据其结晶度、晶粒大小、形态和储备位置，可分为无定形石墨、片状石墨（结晶）和块状片状石墨（结晶）。

• 人造石墨则是通过石墨化工艺生产的，纯度高达 99.9%。与天然石墨相比，人造石墨的密度通常较低，导电率较低，孔隙率略高。

天然石墨和人造石墨广泛用于电池、碳刷、导电材料、燃料电池和润滑剂。由于石墨具有良好的电化学性能和低成本的可制造性，大多数商用锂离子电池的负极仍由石墨制成。

石墨负极材料的储能原理

石墨负极材料在电池的充放电过程中发挥着重要作用。它通过锂离子的嵌入和脱出实现电能的存储和释放。在充电过程中，锂离子通过电解液从电池正极转移到负极。

作为负极的石墨具有碳带和微孔结构，锂离子到达负极时会嵌入这些碳层和微孔中。嵌入的锂离子数量越多，充电容量就越大。

负极材料的性能对锂离子电池的首次效率和循环性能有重要影响。在石墨负极材料中，石墨晶体的大小和形态对电池性能起着关键作用。

通常情况下，较小的石墨晶体具有更大的比表面积和更高的反应活性，从而提供更好的电化学性能。通过改善石墨负极材料的结构形态和物理特性，可以进一步提高锂离子电池的能量密度和循环寿命。

电池用石墨负极材料的研究进展

石墨负极材料的理论容量高达 372 mAh/g。但实际上，由于充放电循环和电池结构的变化，石墨负极的可逆容量通常在 330 至 370 mAh/g 之间。

这是由于石墨负极在锂离子嵌入和脱离过程中会发生体积膨胀，其结构逐渐变得不稳定，从而导致可逆容量下降和循环寿命缩短。

为了克服这些问题，研究人员正在开发新的石墨负极材料。一种方法是在石墨中引入添加剂，形成复合材料，或者制备纳米结构石墨材料，其中还可以掺杂石墨烯等。

这些新型石墨负极材料具有更高的可逆容量、更稳定的结构和更长的循环寿命，有望成为未来的主流电池负极材料。

研究结果表明，这种负极材料在锂离子电池中具有优异的性能，既能提高锂的存储性能，又能增强负极的稳定性。然而，由于其制备成本高、制备工艺复杂，该材料的大规模应用受到限制。

石墨负极材料的表征

在石墨负极材料的生产过程中，通常会采用封盖和掺杂工艺。这些工艺可能会引入其他元素，以提高负极材料的性能。随着电池能量密度的增加，对石墨基负极材料稳定性的要求也越来越高。

因此，为了确保产品的质量和性能，有效测定和去除石墨基负极材料中的微量杂质元素变得尤为重要。

本文原文来自ACEM Energy