锂离子电池碳负极材料的研究.pdf
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1、第 2 2卷第 1期 1 9 9 8年 2月 电源技术 Ch i n e s e J o u r h a l o f P o we r S o u r c e s 3 5 综述 ,c 锂离子电池碳负极材料的研究 7 ff ,f 叫 f l 厦门大学询体表面物理化学国家重点实验室 物理化学研究所(厦门 3 6 1 0 0 5)吴升晖 尤金跨 林担赓 蓄 。翌 嵌 也 俄,对竹 破,地 分 类 号 T M 9111 5 l 。St u dy on c ar bon n e g at i v e el e c t r o de f or l i t h i u m i o n b at t er i
2、 e s W u Sh e n g h u i,Yo u 3 i n k u a a n d Li n Z u g e n g S t a t e Ke y La b o r a t o r y F o r尸 bs i c o l C h e mi s t r y o f S o l i d S u r f a c e,I n t i t u t t of Ph y s i c a l Ch e mi s t r y D e p a m c n t o fC h e mi s t r y Xi a m e n U n i wr s i t y Xi a m n 3 6 1 0 0 5 Ab s
3、 t r a c t Th i s p a p e r r e v i e ws t h e r e s e a r c h s t a t u s o f a l 1 k i n d s o f c a r b o n ma t e r i a l s f o r I i t h i u m i o n b a t t e r i e s i n t h e p r e s e n t Th e p r o p e r t i e s a n d t h e p r o d u c i n g wa y s o f c a r b o n ma t e r i a l s f o r l i
4、 t h i u m i o n b a t t e r i e s a r e d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r a c c o r d i n g t o t h e i r g r a p h i t i z a t i o n d e g r e e s By t h e wa y,i t a l s o o u t l i n e s s e v e r a l me c h a-n i s ms f o r l i t h i u m i n s e r t i o n i n t h e c a r b o n ma t e r i
5、a l s,a n d c o mp r e h e n s i v e l y d i s c u s s e s t h e e x c e l l a n c e a n d p r o b-l e ms o f t h e s e me c h a n i s ms Th r o u g h c o mp a r i n g t h e v a r i a t i o n i n p e r f o r ma n c e o f c y c l i c v o l t a mme t r i c a n d c h a r g e d i s c h a r g e p r o c e
6、 s s e s,t h e c h a r a c t e r f o r c a p a c i t y,r e v e r s i b i l i t y a n d s t r u c t u r e o f c a r b o n ma t e r i a l s wi t h e a c h o t h e r i t i n t r o d u ees t h e I i t h i u m i n t e r c a l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n c a r b o n a n o d e ma t e r i a
7、l s f o r I i t h i u m i o n b a t t e r i e s wi t h d i f f e r e n t s t r u c t u r e Ke y w o r d s 1 i t h i u m i o ff b a t t e r i e s。c a r b o n ma t e r i a l s,i n t e r c a l a t i o n 锂离子电池是 目 前比能量最高的一种便携式化学 电源,它具有电压高、比能量大、放电电压平稳、低温性 能好、安全性能优以及贮存和工作寿命长等优点 。由于当今 电子设备小型化和微 型化 的飞速发展,锂离
8、子 电池的研究与应用也越来越得到重视。锂 离 子 电池 体 系 的 特 点 为 摇 椅 式(r o c k i n g s h a i r)”口 一,即 电池正负极均采用具 不同电位的嵌入材 料,电池充放电过程为锂离子在两极闻的嵌入和脱 出。锂离子电池比锂电池的最大优点就在于用锂的嵌入化 台物取代了金属锂作 电池的阳极,从而从根本上克服 第一作者简升r 吴升晖+男 1 9 7 2 年生 博士生 W u Sh e n gh u i m a l e b o r n i n 1 9 7 2 c a n d i d a t e f O r Ph D 1)国家 自然科学基金资助项 目 2)通讯联系人 了
9、经典锂 电池 中锂 阳极的钝 化和锂枝晶,这样不但保 持了锂 电池的许多优 良特点,同时还大大提高 了充电 效率和 循环寿 命,电池 的安 全性也 得到 了较 大的提 高。1 嵌人型碳负极材料的研究 开发锂离子电池的主要任务之一是寻找一种特殊 的负极材料来取代金属锂,它应具有尽可能低的工作 电压,同时又具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌 可逆性,以保证 高 电压、大容量和循环寿命长的要求。在众多的负极材料 中,含锂的碳素材料或石墨插层化 台物(G I C)应用最为成功。与其它的嵌入材料相比,碳 材料具备高的法拉第容量,高循环效率,低电化学电位 和长循环寿命 J。1 1 锂电池碳材料的结构 碳材
10、料依其来源及制备方法不同在结构上会有很 维普资讯 http:/ 呈升晖等:锂离子 电池碳 负橙材 蚪的研究 V 0 I _ 2 2No 1 F e b 1 9 9 8 大的差异。如果依照完美石墨的结构来看,众多碳原子 会形成层状结构,而层与层之间只是以范德华力结合。但本部分的碳材料并非完全呈现为石墨的层状排列,结构中会出现许多 的缺陷,这些包括层 与层之间有排 列旋转角度差 无规则结构、卷曲环绕结构等等 而随 着缺 陷比例的增加,碳材料的一些结构参数(如晶格常 数等)均会发生变化,且碳材料的石墨化或结晶化的程 度也会降低,可用石墨层状堆积在碳材料 中所占的体 积 比P 来描述石墨化程度的高低:
11、,尸 越大,石墨化 程度越高。依照石墨化程度的不同可将锂离子 电池 所用碳材料以表 1 来进行分类。表 1 锂离子电池碳材抖分类表 一 天拣石墨置 石墨一人工石墨 r碟纤维 一 _ _ l 一 舟 穗相 球聩碟(M c 帅)=衣 悝 J f 池碳材料 非 石 墨1 (软 磷)l 介 穗 相 球 状 碳(舰 M B)l l 囊 氧 茂 甲 尊 fPF c 1 可石墨 一 蹦伽e f P s 1 化 璇(硬硪)对擞 苯基(p 呲曲 e 叮 k n e 一掺杂型碟 L线性石墨 昆 音物f L G H 1 1 2 锂离子嵌人碳的机理 锂在碳材料中的嵌 入(i n t e r c a l a t i o
12、 n)过程 可以由 下列反应式表示 xl i +一+n C=Li C 一般认 为随着锂进 入碳材料 会形成嵌锂 石墨化台物 GI C(Gr a p h i t e i n t e r c a l a t e d c o mp o u n d)GI C 的 最 重 要、最有特征 的性质是阶段现象(s t a g e),是由嵌入层 时期性地排列在石墨层的母体中表现出来的 GI C可 由阶段 指数 s来分类,s代表石墨层在嵌入层间的数 目,第 s阶段的 GI C是由每 s个石墨层中排列一个嵌 入层而组成。一般认为 GI C可以分为四个阶段如图 l (a)(b)所 示 一。鞋 审 蹴 一A:=:=三j
13、 要:三:三 一 一 一B:=A 石墨阶段1 阶段2 阶殷3 一 锂 (a)圈 1【a)G1 C的平面结构图(b)(b)G1 C的三阶段结构圈 GI C的化台物表示式为 I i c ,第一 阶段 的 GI C为 一6 第二阶段 为=l 2或者 8,第三 阶段 为 n 一2 7,第 四阶段为=3 6 其中第一阶段的 L i GI C是每一个石 墨层排列一个嵌入层,即石墨结构 中完全嵌入锂。,然 而,以上为完美石墨的情形,对于石墨化程度较低的碳 材料而言则不一定观察得到上述的四个阶段 传统上 认为 的最大值 为 6,此时每克的碳材料可贮存并放 出 3 7 2 mAh g的电容量,这也就是一般认 为
14、的碳材料 电容量的最大值。”一6以后,一般认为锂 将无法进入 碳材料,如有更多的锂存在则会直接在碳材料的表面 以键原子集合的形式沉积出来E。、早期对锂离子在有机电解液中嵌入碳材料的机理 研 究是在溶剂 为碳酸丙烯酯(p r o p y l e n e c a r b o n a t e简 称 P C)+l mo l I L i C I O 的电化学体系中提出了二电 子还原机理,认 为在充电时发生锂离子嵌 入石墨电极 的同时也发生 P C溶剂分子的分解反应 C H C H C H 2+2 e c H c H=c H +c o 1 0 0 C l l O 锂的嵌入与 P C的分解 为两个竞 争反应
15、,观察到的 电 压 与 嵌 入 量()的关 系 图 中,在 第 一次 充 电时,在 0 8 V附近,曲线有 一平台 出现,认 为是由于 P C 的分解而引起的 更进一步 的机理是 S E I 机理”I 和“莹 电子还原 机理”。S E I 即 S o l i d e l e c t r o l y t e i n t e r p h a s e(固体 电 解质相界面),是指在非水溶剂中,碱金属与有机 电解 液反应而形成的覆盖在表面的薄层。S E I 层具不溶性,使碱金属在有机溶剂中钝化,并且碱金属阳离子可以 自由进 出 S E I 层 溶剂分子却无法穿越 S E I 层,而在 锂嵌入碳材料的过
16、程也会产生相应的固态型电解质界 面。“S E I 机理”可描述如下:在 L i C电池的第一次充 电时,锂离子电化学嵌入碳材料中,同时也发生溶剂分 子的嵌入,因此 嵌入的 L i 与溶剂分子会发 生反应,反 应产物即为 S E I 层覆盖在碳电极表面上。一旦 S E I 层 厚到溶剂分子无法穿越,嵌入 的锂与电解液的不可逆 反应将停止,而锂离子嵌入和脱 出碳材料为可逆过程,这主要是 由 S E I 层 的离子导通而分子不导通 的特性 所决定的。“S E I机理”的要点在于:(1)嵌入的锂与非 水 电解液 的不可逆 反应 只发生在 第一次 充电过 程。(2)只有 当碳 电极表 面全部覆 盖了 S
17、 E I层,溶剂 的反 应才不再发生。(3)一旦 S E I 屡形成,锂 碳电池可以 可逆循环多次。而对 S EI 层的具体组成现在仍不很确 一露 维普资讯 http:/ 第 2 2卷 第 1 朝 1 9 9 8年 2月 电源技术 Chi n e s e J o ur n a l o f P owe r S Ou r c e s 定,有许多学者提 出某一种可能的主要成分为碳酸锂,并且就不同的非水溶剂而言,形成的 S EI 层组 成也不 尽相同。“单 电子还原机理”是“二电子还原机理”的发展。二电子还原机理认 为锂嵌入碳材料过程主要是溶剂分 子的分解与锂碳嵌入化台物即 GI C的形成的竞争。但
18、是经实验研究发现,在锂 碳 电池中,充电电压0 2 V 时,溶剂的分解反应为主要反应,当电压0 2 V时,锂 的嵌 入碳材料的反应为主要反应,并且第一次充电时 的总容量超过 3 7 2 mAh g,这 是由于部分 电荷参加 了 不可逆反应 溶剂分解而被消耗掉了 因此,在“二 电子还原机理”的基础上又进一步提 出了“单 电子还原 机理”,它认为溶剂的分解是 由两种反应引起的:化学 还原和电化学还原。下面就 P C+E C(1+1)+1 too l i,l A C K)的电化学体 系来阐述这一机理 的主要 内容。(1)电化 学还 原:锂 的溶 剂 化离 子 E P c L i 一 和 E E C
19、I i 一 通过一 电子还 原 共嵌入碳结构中 为锂 碳 化台物E P c I i :和E E C I i ,再进一步 一电子还 原为乙烯+丙烯或形成 L i 一烷基一c化合物。(2)化学还 原:化台物 E P c L i 一丙烯+乙烯 具体反应见下(以 P C为例)丙烯(g)+l J 2 C O +(m一 1)P C f l(1)电 化 学 还 原 I e,L i mP c+u 一【PC mu 卜一【P C u】c,i I()进一步还原 I 锂 烷基 碳化音物 I I l (3)化学还原【PC j c-1一丙坶(g)+I J:C O +n c+(I)PC I e。L i 其中化学还原与碳材料
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