2022年2022年锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点 .pdf

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1、锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点一、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：1、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、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、

2、耐高温性：石墨的熔点为385050，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、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、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、可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。7、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：1、我国以

3、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -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：1、纽约 Ticonderoga。2、马达加斯加。3、斯里兰卡（Ceylon）。五、石墨分类：1、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、人造石墨：广义上，一切通过有

4、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、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 01 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6065%，有时达 8098%，但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。4、

5、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23%，或 1025%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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -5、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

6、般的 6085%。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：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：1、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

7、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -2、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

8、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：1、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、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、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2002000 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

9、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 20003000，在氧化气氛中分别在350和 4

10、00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、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，而且能耐急冷急热名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -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、用于原

11、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、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 45 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、石墨可作铅笔芯、颜料、抛光

12、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。10、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：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

13、工、原子能等工业名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -领域。国际市场需求量逐年增长。2、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重要原料，在国民经济中具有重要的作用。十、石墨应用在电池负极材料的优点：1、首先石墨来源丰富。2、经过改性后振实密度高。3、电化学性能稳定。4、比容量可以做到跟理论容量比较接近。十一、石墨应用在电池负极材料的缺点：1、克容量不足，不太能满足动力电池的需求2、如果纯度不够，副反应较多。3、层状结构稳定性有待提高。4、倍率性能不好。5、充放电平台过低。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -