锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点

锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点 一 石墨定义 一 石墨定义 1 石墨是元素碳的一种同素异形体 每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子 排列 方式呈蜂巢式的多个六边形 以共价键结合 构成共价分子 2 由于每个碳原子均会放出一个电子 那些电子能够自由移动 因此石墨属于导电体 石墨是其中一种最软的矿物 它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂 二 石墨的特殊性质 二 石墨的特殊性质 1 1 导电性 导电性 石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍 石墨能够导电是因为石墨中每个 碳原子与其他碳原子只形成 3 个共价键 每个碳原子仍然保留 1 个自由电子来传输电荷 2 2 导热性 导热性 导热性超过钢 铁 铅等金属材料 导热系数随温度升高而降低 甚至在 极高的温度下 石墨成绝热体 3 3 耐高温性 耐高温性 石墨的熔点为 3850 50 沸点为 4250 即使经超高温电弧灼烧 重 量的损失很小 热膨胀系数也很小 石墨强度随温度提高而加强 在 2000 时 石墨强 度提高一倍 4 4 润滑性 润滑性 石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小 鳞片越大 摩擦系数越小 润滑 性能越好 由于其润滑性 在超细研磨里难度很高 使用叁星飞荣立式砂磨机可以研磨 到纳米级别细度 5 5 化学稳定性 化学稳定性 石墨在常温下有良好的化学稳定性 能耐酸 耐碱和耐有机溶剂的腐 蚀 6 6 可塑性 可塑性 石墨的韧性好 可碾成很薄的薄片 7 7 抗热震性 抗热震性 石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏 温度突变时 石墨的体积变化不大 不会产生裂纹 三 石墨的中国产地 三 石墨的中国产地 1 我国以黑龙江鸡西市恒山区密山市柳毛乡为最大的产地 以及黑龙江省的七台河市 鹤岗市和双鸭山市等 2 山东省莱西市为我国石墨重要产地之一 3 吉林省磐石市也是石墨产地之一 4 内蒙古乌拉特中旗高勒图矿区发现全国最大晶质石墨单体矿 5 陕西省煤田地质局一九四队在陕西洋县发现 3 条石墨矿带 四 石墨世界著名产地 四 石墨世界著名产地 1 纽约 Ticonderoga 2 马达加斯加 3 斯里兰卡 Ceylon 五 石墨分类 五 石墨分类 1 1 天然石墨 天然石墨 石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态 结晶形态不同的石墨矿物 具有不同的工业价值和用途 2 2 人造石墨 人造石墨 广义上 一切通过有机炭化再经过石墨化高温处理得到的石墨材料均可 称为人造石墨 如炭纤维 热解炭 泡沫石墨等 而狭义上的人造石墨通常指以杂质含 量较低的炭质原料为骨料 煤沥青等为粘结剂 经过配料 混捏 成型 炭化和石墨化 等工序制得的块状固体材料 如石墨电极 等静压石墨等 人造石墨就成型方式通常可分为 振动成型 挤压成型 模压成型 等静压成型 3 3 块状石墨 块状石墨 块状石墨又叫致密结晶状石墨 此类石墨结晶明显晶体肉眼可见 颗粒 直径大于 0 1 毫米 比表面积范围集中在 0 1 1m2 g 晶体排列杂乱无章 呈致密块状 构造 这种 石墨的特点是品位很高 一般含碳量为 60 65 有时达 80 98 但其 可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好 4 4 鳞片石墨 鳞片石墨 石墨晶体呈鳞片状 这是在高强度的压力下变质而成的 有大鳞片和细 鳞片之分 此类石墨矿石的特点是品位不高 一般在 2 3 或 10 25 之间 是自然 界中可浮性最好的矿石之一 经过多磨多选可得高品位石墨精矿 这类石墨的可浮性 润滑性 可塑性均比其他类型石墨优越 因此它的工业价值最大 5 5 隐晶质石墨 隐晶质石墨 隐晶质石墨又称微晶石墨或土状石墨 这种石墨的晶体直径一般小于 1 微米 比表面积范围集中在 1 5m2 g 是微晶石墨的集合体 只有在电子显微镜下才能 见到晶形 此类石墨的特点是表面呈土状 缺乏光泽 润滑性比鳞片石墨稍差 品位较 高 一般的 60 85 少数高达 90 以上 一般应用于铸造行业比较多 主要蕴藏在湖 南郴州鲁塘 随着石墨提纯技术的提高 土状石墨应用越来越广泛 六 石墨特种成型方式 六 石墨特种成型方式 石墨在工业上运用极广 几乎每个行业都会用到 工业上多用的是人造石墨 也就是特 种石墨 按其成型的方式可分为以下几种 1 等静压石墨 也就是很多人叫的三高石墨 但是并不是三高就是等静压 2 模压石墨 3 挤压石墨 多为电极材料 其中按石墨的颗粒度分 也可分为 1 细节构石墨 2 中粗石墨 一般的颗粒度在 0 8mm 左右 3 电极石墨 2 4mm 七 石墨晶体结构 七 石墨晶体结构 1 1 金属晶体 金属晶体 在石墨晶体中 同层的碳原子以 sp2 杂化形成共价键 每一个碳原子以 三个共价键与另外三个原子相连 六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环 伸展成片层结构 这里 C C 键的键长皆为 142pm 这正好属于原子晶体的键长范围 因 此对于同一层来说 它是原子晶体 在同一平面的碳原子还各剩下一个 p 轨道 它们相 互重叠 电子比较自由 相当于金属中的自由电子 所以石墨能导热和导电 这正是金 属晶体特征 因此也归类于金属晶体 2 2 混合晶体 混合晶体 石墨晶体中层与层之间相隔 340pm 距离较大 是以范德华力结合起来的 即层与层之间属于分子晶体 但是 由于同一平面层上的碳原子间结合很强 极难破坏 所以石墨的熔点也很高 化学性质也稳定 鉴于它的特殊的成键方式 不能单一的认为是原子晶体或者是分子晶体 按现代的表述 方式 认为石墨是一种混合晶体 八 石墨的应用 八 石墨的应用 1 1 作耐火材料 作耐火材料 石墨及其制品具有耐高温 高强度的性质 在冶金工业中主要用来制 造石墨坩埚 在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂 冶金炉的内衬 2 2 作导电材料 作导电材料 在电气工业上用作制造电极 电刷 碳棒 碳管 水银正流器的正极 石墨垫圈 电话零件 电视机显像管的涂层等 3 3 作耐磨润滑材料 作耐磨润滑材料 石墨在机械工业中常作为润滑剂 润滑油往往不能在高速 高温 高压的条件下使用 而石墨耐磨材料可以在 200 2000 温度中在很高的滑动速度下 不用润滑油工作 许多输送腐蚀介质的设备 广泛采用石墨材料制成活塞杯 密封圈和 轴承 它们运转时勿需加入润滑油 石墨乳也是许多金属加工 拔丝 拉管 时的良好的 润滑剂 4 石墨具有良好的化学稳定性 经过特殊加工的石墨 具有耐腐蚀 导热性好 渗透 率低等特点 就大量用于制作热交换器 反应槽 凝缩器 燃烧塔 吸收塔 冷却器 加热器 过滤器 泵设备 广泛应用于石油化工 湿法冶金 酸碱生产 合成纤维 造 纸等工业部门 可节省大量的金属材料 5 不透性石墨的品种因所含树脂不同 耐蚀性也有差异 如酚醛树脂浸渍者耐酸 但 不耐碱 糠醇树脂浸渍者既耐酸 又耐碱 不同品种的耐热性也有差异 碳和石墨在还 原性气氛中可耐 2000 3000 在氧化气氛中分别在 350 和 400 开始氧化 不透性石 墨品种随浸渍剂而异 一般由酚醛或糠醇浸渍者耐热在 180 以下 6 6 作铸造 翻砂 压模及高温冶金材料 作铸造 翻砂 压模及高温冶金材料 由于石墨的热膨胀系数小 而且能耐急冷急 热的变化 可作为玻璃器的铸模 使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确 表面光洁成 品率高 不经加工或稍作加工就可使用 因而节省了大量金属 生产硬质合金等粉末冶 金工艺 通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟 单晶硅的晶体生长坩埚 区域精炼 容器 支架夹具 感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的 此外石墨还可作真空冶炼 的石墨隔热板和底座 高温电阻炉炉管 棒 板 格棚等元件 7 7 用于原子能工业和国防工业 用于原子能工业和国防工业 石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中 铀一 石墨反应堆是应用较多的一种原子反应堆 作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应 当具有高熔点 稳定 耐腐蚀的性能 石墨完全可以满足上述要求 作为原子反应堆用 的石墨纯度要求很高 杂质含量不应超过几十个 PPM 特别是其中硼含量应少于 0 5PPM 在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴 导弹的鼻锥 宇宙航行设 备的零件 隔热材料和防射线材料 8 8 石墨还能防止锅炉结垢 石墨还能防止锅炉结垢 有关单位试验表明 在水中加入一定量的石墨粉 每吨水大 约用 4 5 克 能防止锅炉表面结垢 此外石墨涂在金属烟囱 屋顶 桥梁 管道上可以 防腐防锈 9 9 石墨可作铅笔芯 颜料 抛光剂 石墨可作铅笔芯 颜料 抛光剂 石墨经过特殊加工以后 可以制作各种特殊材料 用于有关工业部门 1010 电极 电极 20 世纪 60 年代 铜做为电极材料被广泛应用 使用率约占 90 石墨仅有 10 左右 21 世纪 越来越多的用户开始选择石墨作为电极材料 在欧洲 超过 90 以 上的电极材料是石墨 石墨超细研磨均需使用叁星飞荣立式砂磨机 才能有效研磨到纳 米级别 应用到电池里面去 发挥石墨的巨大作用 九 石墨新用途 九 石墨新用途 1 柔性石墨又称膨胀石墨 1971 年美国研究成功柔性石墨密封材料 解决了原子能阀 门泄漏问题 随后德 日 法也开始研制生产 这种产品除具有天然石墨所具有的特性 外 还具有特殊的柔性和弹性 是一种理想的密封材料 广泛用于石油化工 原子能等 工业领域 国际市场需求量逐年增长 2 2 轻工业应用 轻工业应用 此外 石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂 是制造铅笔 墨汁 黑漆 油墨和人造金刚石 钻石不可缺少的原料 它是一种很好的节能环保材料 美国已用它做为汽车电池 随着现代科学技术和工业的发展 石墨的应用领域还在不断 拓宽 已成为高科技领域中新型复合材料的