鋰離子電池負(fù)極材料生產(chǎn)工藝開發(fā)技術(shù)報(bào)告(已修改)
2025-06-13 01:19 本頁面
【正文】 鋰離子電池負(fù)極材料生產(chǎn)工藝開發(fā)技術(shù)報(bào)告一、前言1 鋰離子電池介紹鋰離子電池是能夠反復(fù)充放電使用的二次電池，二次電池也叫蓄電池，鋰離子電池由于工作原理的原因，也稱搖椅式電池。 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池一般采用薄膜電極，電極活性物質(zhì)涂覆于金屬箔集流器上，每層厚度約為100微米。負(fù)極中，碳材料與黏合劑、助劑合用，涂覆于銅箔集流器上。正極由鋰—金屬氧化物，通常為鈷酸鋰（LiCoCO3）與碳墨或石墨的混合物組成，碳墨或石墨作為導(dǎo)電助劑和黏合劑。銅箔常用作正集的集流器。正負(fù)電極由電解質(zhì)分隔開，電解質(zhì)一般為有機(jī)碳酸脂溶劑中的鋰鹽（LiPF6），電解質(zhì)溶液浸泡于微孔聚合物膜中。 鋰離子電池的工作原理鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，Li+從正極脫炭經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。放電時(shí)則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)，在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)的氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破壞晶體結(jié)構(gòu)，在充放電過程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。鋰離子電池的工作電壓與構(gòu)成電極的鋰離子嵌入化合物和鋰離子濃度有關(guān)，目前，用作鋰離子電池的正極材料是過渡金屬和錳的離子嵌入化合物。負(fù)極材料是鋰離子嵌入碳化合物，常用的碳材料有石油焦和石墨等。國(guó)內(nèi)外已商品化的鋰離子電池正極是LiCoO2，負(fù)極是層狀石墨。2 炭負(fù)極材料從理論上講，具有鋰離子嵌入和脫嵌功能的不只是炭材料，好多金屬氧化物和硅錫一類的材料都可以作為負(fù)極材料使用。但能真正作為商品化使用的到目前為止還只是炭材料，初期主要有石墨類和焦炭類兩類，目前負(fù)極材料的使用基本上是以石墨類材料為主，只不過是有天然石墨和人造石墨之分。炭材料主要是指以碳元素為基本構(gòu)成的固體材料，石墨全部是由碳元素構(gòu)成的，因此石墨材料是炭材料的一種，所以石墨是從晶體結(jié)構(gòu)上說的。在實(shí)際應(yīng)用上，炭負(fù)極材料基本上是指石墨材料。前面講，石墨材料有天然石墨和人造石墨之分。天然石墨由于是碳在極端的地理環(huán)境之下經(jīng)過若干萬年形成的，一般具有較高的石墨化度。天然石墨有六方形和菱形兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)，在礦物學(xué)上分別對(duì)應(yīng)鱗片石墨和土狀石墨，后者也稱微晶石墨。人造石墨一般是人造炭素材料經(jīng)高溫石墨化得到的，只有氣相生長(zhǎng)炭纖維和熱解炭具有較高的石墨化度而沒有經(jīng)過較高的石墨化溫度。炭負(fù)極材料從來源講可以區(qū)分為兩類，加工性的負(fù)極材料，另一類是合成性的負(fù)極材料，具體情況見表1—1加工性負(fù)極材料與合成性負(fù)極材料的比較。表1—1 加工性負(fù)極材料與合成性負(fù)極材料的比較比較內(nèi)容合成性負(fù)極材料加工性負(fù)極材料原料瀝青、芳烴石墨塊、樹脂工藝關(guān)鍵聚合、分離表面處理主要特點(diǎn)形態(tài)好非球型，形態(tài)較差原料便宜對(duì)原料有嚴(yán)格限制質(zhì)量穩(wěn)定原料外購、質(zhì)量不穩(wěn)工藝復(fù)雜、投資大工藝簡(jiǎn)單、投資小循環(huán)性好電容量高成本高成本較低綜合評(píng)價(jià)成熟產(chǎn)品、性價(jià)比低較成熟產(chǎn)品、性價(jià)比高（見表12）表1—2 炭負(fù)極材料指標(biāo)控制說明炭負(fù)極材料指標(biāo)單位理想值極限值可接受范圍粒度（D50）真密度振實(shí)密度灰分比表面積D002首次放電容量首次放電效率μmg/cm3g/cm3% m2/gnmmAh/g% 15~20≥≥≤≤≤≥330/350≥95253729710~25~~~~~315~36092~97（見表1—3）表1—3 鋰離子電池對(duì)炭負(fù)極材料的要求鋰離子電池炭負(fù)極材料負(fù)極材料性能指標(biāo)高能量密度高的電容量、高的壓實(shí)密度石墨化度高、振實(shí)密度高、高壓縮性長(zhǎng)壽命晶體結(jié)構(gòu)反復(fù)充放不碎、 薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定石墨化度、比表面積、灰分正極利用率高不可逆容量損失低首次放電效率高使用安全衰減慢首次放電效率高薄膜加工性好粒徑分布、表面性質(zhì)粒度分布、振實(shí)密度 炭負(fù)極材料評(píng)價(jià)決定炭負(fù)極材料優(yōu)劣的因素主要有三個(gè)方面。第一方面是材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也稱微晶結(jié)構(gòu)，石墨化度和真密度兩個(gè)指標(biāo)與此關(guān)系密切， D002最能反
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