《储能材料与器件分析测试技术》课件-石墨负极材料认知

石墨负极材料认知01石墨负极材料简介02石墨负极材料的优缺点03石墨负极材料的改性01石墨负极材料简介一、石墨负极材料简介石墨根据其原料和加工工艺的区别，分为天然石墨和人造石墨，因其具有对锂电位低、首次效率高、循环稳定性好、成本低廉等优点，石墨成为目前锂离子电池应用中理想的负极材料。SEM图（A）人造石墨（B）天然石墨（A）（B）一、石墨负极材料简介从岩石中开采出来的，根据其结晶度、晶粒尺寸、形态和储备位置的不同，可以分为无定形、片状（结晶）或块状和片状（结晶）。天然石墨一、石墨负极材料简介指将无定形炭在高温（＞2200℃）下热处理一段时间，使其结构向层状石墨结构转变得到的一种产物。人造石墨一、石墨负极材料简介石墨材料结构特征六角网状平面规则平行堆砌而成的层状结构晶体，属于六方晶系，P63/mc空间群；每个碳原子以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子以共价键结合；碳碳键键长为0.1421nm；石墨晶体结构示意图六方形结构菱形结构一、石墨负极材料简介石墨材料结构特征p轨道上电子形成离域π键，使得石墨层内具有良好的导电性；相邻层内的碳原子并非以上下对齐方式堆积，而是有六方形结构和菱形结构两种结构。石墨晶体结构示意图六方形结构菱形结构一、石墨负极材料简介石墨的充放电过程是Li+嵌入石墨形成石墨嵌入化合物和从石墨层中脱出的过程，化学反应如下式：石墨嵌入化合物具有阶现象，阶数等于周期性嵌入的两个相邻嵌入层之间石墨层的层数，如1阶LiC6、2阶LiC12、3阶LiC24和4阶LiC36等化合物。在石墨的充电过程中，充电电压逐渐降低，形成充电电压阶梯平台，对应高阶化合物向低阶化合物转变。嵌满锂时形成的是1阶化合物LiC6，比容量为372mAh/g，这是石墨在常温常压下的理论最大值。02石墨负极材料的优缺点二、石墨负极材料的优缺点优点高导电性比容量高成本低廉嵌锂电位低循环稳定性好石墨晶体结构图二、石墨负极材料的优缺点缺点对电解液敏感，与电解液的相容性不好。石墨结构在充放电过程中反复膨胀和收缩，导致石墨片层剥离。石墨晶体结构图二、石墨负极材料的优缺点缺点石墨晶体结构图倍率性能较差。由于石墨的层间距小，Li+在石墨层间的扩散速率低。首次充放电过程中不可逆容量损失较大。03石墨负极材料的改性三、石墨负极材料的改性为解决石墨负极材料上述缺点。目前，主要的改性方法为：01碳包覆02表面氧化03元素掺杂三、石墨负极材料的改性有效降低石墨的不可逆容量；提高石墨材料的循环稳定性；提髙石墨材料的振实密度，并降低其比表面积；提高锂离子电池的热稳定性。碳包覆SEM图碳包覆作用三、石墨负极材料的改性（1）改性后石墨表面形成了含氧官能团，如羧基、醌基、羟基等，这有助于阻止溶剂化分子的共嵌入、改善电解液对石墨表面的润湿性，形成化学键合的SEI膜；表面氧化作用01提高可逆容量石墨结构图三、石墨负极材料的改性表面氧化作用01提高可逆容量石墨结构图（2）改性后石墨表面上存在大量的纳米级孔洞，这增加了Li+的存储位置。三、石墨负极材料的改性表面氧化作用02提高倍率性能原因通过强氧化剂处理石墨，能够増大石墨的层间距，从而有利于Li+的脱嵌，提高倍率性能。三、石墨负极材料的改性掺杂改性是一种改善材料性能的有效手段，对于石墨负极材料，常用的掺杂元素包括硼(B)、氟(F)、氮(N)、磷(P)等，这些掺杂元素的引入往往能促进电子转移并扩大石墨层间距，从而达到提高石墨负极材料电化学性能的目的。