石墨在鋰電池中的應用現狀及發展方向

jcadmin | 2021-01-19 14:03:04

石墨在鋰電池中的應用現狀及發展方向

石墨被國際公認為是“21 世紀支撐高新技術發展的戰略資源”。隨著全球經濟環境改善，石墨在戰略性新興行業的應用，尤其是在新能源汽車等行業的應用將會快速增加。

石墨：理想的負極材料

天然石墨是在高溫下有機成因的碳質物變質而成，呈鋼灰色、黑灰色，具有半金屬光澤，晶體結構屬六方晶系，呈六邊形層狀結構，具有耐高溫、導熱、導電、潤滑、可塑和抗腐蝕性等特性。

石墨是較早應用的負極材料，與其他碳材料相比，其導電性、結晶度更高，良好的層狀結構和充放電電壓也十分適合正極材料的脫/嵌運動，且目前工藝成熟、成本較低，是較為理想的負極材料。

改性：優化負極材料的性能

石墨負極一般采用天然鱗片石墨，但存在以下幾個缺點：

（1）鱗片石墨粉具有較大的比表面積，對負極的首次充放電效率有較大影響；

（2）石墨的片層結構決定了Li ＋只能從材料端面嵌入，并逐漸擴散入顆粒內部，由于鱗片石墨的各向異性，Li ＋擴散路徑較長且不均勻，導致其比容量較低；

（3）石墨的層間距較小，增加了Li＋的擴散阻力，且倍率性能較差，快速充電時Li＋易在石墨表面沉積形成鋰枝晶，導致嚴重的安全隱患。

為了解決這些問題，可以采用顆粒球形化、表面氧化、表面氟化、表面包覆軟碳、硬碳材料以及其它方式的表面修飾和微結構調整等技術對天然石墨進行改性處理。從成本和性能的綜合考慮，目前工業界石墨改性主要使用碳包覆工藝處理。商業化應用的改性天然石墨比容量為 340～370mA·h/g，首周庫侖效率90%～93%，100% DOD循環壽命可達到1000次以上，基本可以滿足消費類電子產品對小型電池性能的要求。

創新：挖掘石墨應用潛力

隨著新能源汽車、3C等產業的迅速發展，人們陸續瞄準鋰離子電池新的技術方向，追求高能量密度、高功率密度以及更長壽命等更高性能，這對石墨負極提出了更高的要求。

石墨精礦經進一步深加工可獲得石墨制品，如石墨烯、球化石墨、可膨脹石墨、柔性石墨、氟化石墨、核石墨、浸硅石墨等高端產品。而這些高端產品的開發利用又會將石墨在鋰電池中的的應用提升到一個新的高度。如石墨烯具有優良的導電性、能夠緩解電極材料的體積膨脹等，從而大幅提高動力電池的性能，因此石墨烯在鋰離子電池的正極、負極、集流體、隔膜、導電添加劑等方面應用較廣，未來市場前景尤為廣闊，是現在研究關注的熱點。球形石墨具有良好的導電性、結晶度高、成本低、理論嵌鋰容量高、充放電電位低且平坦等特點，是國內外鋰離子電池生產用負極材料的換代產品。

隨著電動汽車和鋰離子電池在中國和世界其他地區的普及率上升，Roskill 預測，到 2026 年，全球電池應用對石墨的總需求將增長 16% ~26%。2020年12月16日，中國粉體網旗下粉體公開課平臺將舉辦首屆“ 2020石墨基鋰離子電池負極材料研究網絡研討會”，屆時來自中南大學冶金與環境學院教授、博士生導師楊娟將作《石墨在鋰電池中的應用現狀及發展方向》報告，將從石墨的種類、衍生材料、復合材料等方面分析石墨在鋰電池中的應用現狀及其在下一代高能量密度、高功率密度鋰電池中的應用潛力和發展方向。

楊娟教授簡介

楊娟，女，1983年11月生，工學博士，中南大學冶金與環境學院教授，博士生導師，湖南省普通高校青年骨干教師。長期從事新能源材料與器件方向的教學與科研工作。已主持完成國家自然科學基金項目、國際合作與交流項目、國家重點研究計劃項目子課題、重大橫向科研課題等10余項。以第一作者或通訊作者在材料、電化學、新能源領域的Green Chemistry、Journal of Materials Chemistry A等國際期刊上發表論文50余篇，其中ESI高被引論文5篇；以第一發明人獲授權發明專利10余項；獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎3項；獲湖南省高等教育省級教學成果獎二等獎1項以及第二屆全國高校冶金院長（青年教師類）獎。

參考資料：

陸浩等.鋰離子電池負極材料產業化技術進展

時杰等.石墨基鋰離子電池負極材料研究進展

左力艷等.全球石墨資源產業現狀分析與我國石墨行業發展建議