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石墨在鋰電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

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

石墨在鋰電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

石墨被國際公認(rèn)為是“21 世紀(jì)支撐高新技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源”。隨著全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境改善，石墨在戰(zhàn)略性新興行業(yè)的應(yīng)用，尤其是在新能源汽車等行業(yè)的應(yīng)用將會(huì)快速增加。

石墨：理想的負(fù)極材料

天然石墨是在高溫下有機(jī)成因的碳質(zhì)物變質(zhì)而成，呈鋼灰色、黑灰色，具有半金屬光澤，晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系，呈六邊形層狀結(jié)構(gòu)，具有耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、潤滑、可塑和抗腐蝕性等特性。

石墨是較早應(yīng)用的負(fù)極材料，與其他碳材料相比，其導(dǎo)電性、結(jié)晶度更高，良好的層狀結(jié)構(gòu)和充放電電壓也十分適合正極材料的脫/嵌運(yùn)動(dòng)，且目前工藝成熟、成本較低，是較為理想的負(fù)極材料。

改性：優(yōu)化負(fù)極材料的性能

石墨負(fù)極一般采用天然鱗片石墨，但存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

（1）鱗片石墨粉具有較大的比表面積，對(duì)負(fù)極的首次充放電效率有較大影響；

（2）石墨的片層結(jié)構(gòu)決定了Li ＋只能從材料端面嵌入，并逐漸擴(kuò)散入顆粒內(nèi)部，由于鱗片石墨的各向異性，Li ＋擴(kuò)散路徑較長且不均勻，導(dǎo)致其比容量較低；

（3）石墨的層間距較小，增加了Li＋的擴(kuò)散阻力，且倍率性能較差，快速充電時(shí)Li＋易在石墨表面沉積形成鋰枝晶，導(dǎo)致嚴(yán)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(jié)構(gòu)調(diào)整等技術(shù)對(duì)天然石墨進(jìn)行改性處理。從成本和性能的綜合考慮，目前工業(yè)界石墨改性主要使用碳包覆工藝處理。商業(yè)化應(yīng)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(huán)壽命可達(dá)到1000次以上，基本可以滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品對(duì)小型電池性能的要求。

創(chuàng)新：挖掘石墨應(yīng)用潛力

隨著新能源汽車、3C等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人們陸續(xù)瞄準(zhǔn)鋰離子電池新的技術(shù)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(duì)石墨負(fù)極提出了更高的要求。

石墨精礦經(jīng)進(jìn)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(chǎn)品。而這些高端產(chǎn)品的開發(fā)利用又會(huì)將石墨在鋰電池中的的應(yīng)用提升到一個(gè)新的高度。如石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、能夠緩解電極材料的體積膨脹等，從而大幅提高動(dòng)力電池的性能，因此石墨烯在鋰離子電池的正極、負(fù)極、集流體、隔膜、導(dǎo)電添加劑等方面應(yīng)用較廣，未來市場(chǎng)前景尤為廣闊，是現(xiàn)在研究關(guān)注的熱點(diǎn)。球形石墨具有良好的導(dǎo)電性、結(jié)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(diǎn)，是國內(nèi)外鋰離子電池生產(chǎn)用負(fù)極材料的換代產(chǎn)品。

隨著電動(dòng)汽車和鋰離子電池在中國和世界其他地區(qū)的普及率上升，Roskill 預(yù)測(cè)，到 2026 年，全球電池應(yīng)用對(duì)石墨的總需求將增長 16% ~26%。2020年12月16日，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將舉辦首屆“ 2020石墨基鋰離子電池負(fù)極材料研究網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”，屆時(shí)來自中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師楊娟將作《石墨在鋰電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向》報(bào)告，將從石墨的種類、衍生材料、復(fù)合材料等方面分析石墨在鋰電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其在下一代高能量密度、高功率密度鋰電池中的應(yīng)用潛力和發(fā)展方向。

楊娟教授簡介

楊娟，女，1983年11月生，工學(xué)博士，中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院教授，博士生導(dǎo)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(xué)與科研工作。已主持完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國際合作與交流項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目子課題、重大橫向科研課題等10余項(xiàng)。以第一作者或通訊作者在材料、電化學(xué)、新能源領(lǐng)域的Green Chemistry、Journal of Materials Chemistry A等國際期刊上發(fā)表論文50余篇，其中ESI高被引論文5篇；以第一發(fā)明人獲授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)；獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)；獲湖南省高等教育省級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)以及第二屆全國高校冶金院長（青年教師類）獎(jiǎng)。

參考資料：

陸浩等.鋰離子電池負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)展

時(shí)杰等.石墨基鋰離子電池負(fù)極材料研究進(jìn)展

左力艷等.全球石墨資源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析與我國石墨行業(yè)發(fā)展建議