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負極材料

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負極指電源中電位(電勢)較低的一端。在原電池中,是指起氧化作用的電極,電池反應中寫在左邊。從物理角度來看,是電路中電子流出的一極。而負極材料,則是指電池中構成負極的原料,目前常見的負極材料有碳負極材料、錫基負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料、合金類負極材料和納米級負極材料。

研究進展

鋰離子電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合製成糊狀膠合劑均勻塗抹在銅箔兩側,經乾燥、滾壓而成。鋰離子電池能否成功地製成,關鍵在於能否製備出可逆地脫/嵌鋰離子的負極材料。

一般來說,選擇一種好的負極材料應遵循以下原則:比能量高;相對鋰電極的電極電位低;充放電反應可逆性好;與電解液和粘結劑的兼容性好;比表面積小(<10m2/g),真密度高(>2.0g/cm3);嵌鋰過程中尺寸和機械穩定性好;資源豐富,價格低廉;在空氣中穩定、無毒副作用。目前,已實際用於鋰離子電池的負極材料一般都是碳素材料,如石墨軟碳(如焦炭等)、硬碳等。正在探索的負極材料有氮化物、PAS、錫基氧化物、錫合金、納米負極材料,以及其他的一些金屬間化合物等。

燒結設備

全自動氣氛保護隧道式電阻爐用於石墨負極材料的燒成。工藝簡述在99.99%的氮氣氛保護下對石墨進行燒結。產品中含有瀝青等揮發物,不含有洗油,洗油己由定作方先期處理。燒成周期:約22小時各溫區劃分、進氣管路、煙囪位置詳見工藝曲線圖。

負極材料

傳統電池負極材料

(1)碳材料:主要為天然石墨、焦碳和碳纖維等,目前比較先進的負極層狀石墨顆粒已採用納米碳。

(2)基於氧化錫的負極材料:利用SnO、SiO2和少量的Al2O3、B2O3、P2O3等的混合物在氬氣氛圍下逐漸升溫到1000℃或略高溫度下加熱12h,可製得含二價錫的混合氧化物。

石墨負極的優點:

電子電導率高,鋰離子擴散係數大,層狀結構在嵌鋰前後體積變化小,嵌鋰容量高,嵌鋰電位低。

石墨負極的缺點:

與電解液相容性差,首次充放電可逆容量低,不適合大電流充放電,循環性能差。

鋰合金負極材料

能量密度高,但循環穩定性差

硅基負極材料

理論容量高,但體積變化大,造成合金的粉化,容量急劇下降

錫基負極材料

貯鋰後材料結構和體積沒有明顯變化,循環性能好,但是貯鋰容量有限

鋰電池負極材料

第一種是碳負極材料:目前已經實際用於鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。

第二種是錫基負極材料:錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基複合氧化物兩種。氧化物是指各種價態金屬錫的氧化物。目前沒有商業化產品。

第三種是含鋰過渡金屬氮化物負極材料,目前也沒有商業化產品。

第四種是合金類負極材料:包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金,目前也沒有商業化產品。

第五種是納米級負極材料:納米碳管、納米合金材料。

第六種納米材料是納米氧化物材料:目前合肥翔正化學科技有限公司根據2009年鋰電池新能源行業的市場發展最新動向,諸多公司已經開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統的石墨,錫氧化物,納米碳管裡面,極大的提高鋰電池的沖放電量和沖放電次數。

產業現狀

在鋰離子電池負極材料中,石墨類碳負極材料以其來源廣泛,價格便宜,一直是負極材料的主要類型。除石墨化中間相碳微球(MCMB)、低端人造石墨占據小部分市場份額外,改性天然石墨正在取得越來越多的市場占有率。我國擁有豐富的天然石墨礦產資源,在以天然石墨為原料的鋰離子負極材料的產業化方面,深圳貝特瑞電池材料有限公司以高新科技促進傳統產業的發展,運用獨特的整形分級、機械改性和熱化學提純技術,將普通鱗片石墨加工成球形石墨,將純度提高到99.95%以上,最高可以達到99.9995%。並通過機械融合、化學改性等先進的表面改性技術研製、生產出具有國際領先水平的高端負極材料產品,其首次放電容量達360mAh/g以上,首次效率大於95%,壓實比達1.7g/cm3,循環壽命500次容量保持在88%以上。

產品出口至日本、韓國、美國、加拿大、丹麥、印度等國家,並在國內40餘家鋰電廠家應用。該公司年產1800噸天然複合石墨(MSG、AMG、 616、717、818等)、1200噸人造石墨負極材料(SAG系列、NAG系列、316系列、317系列)、3000噸球形石墨(SG)、5000噸天然微粉石墨和600噸錳酸鋰正極材料,並正在不斷擴大生產規模,同時可以根據客戶的需求、工藝、設備以及存在的問題為客戶開發客戶需要的產品。生產的產品品質穩定、均一,具有很好的電化學性能和卓越加工性能,可調產品的比表面積、振實密度、壓實密度、不純物含量和粒度分布等。主要生產設備和檢測儀器均從國外進口,從而形成該公司獨特的核心競爭力的一部分。在鋰離子電池負極材料行業貝特瑞已經引領了該行業的發展方向。

在鋰離子電池負極材料領域,該公司的鋰離子電池負極材料的已站在新一代國產化材料應用的前沿,代表着石墨深加工的方向。為確保產品持續領先,不斷進行技術創新、產品創新、制度創新、思維理念創新,持續進行新產品開發,新近又推出了超高容量的合金負極材料(可逆容量>450mAh/g)、複合石墨PW系列、BF系列、納米導電材料、鋰離子動力電池用多元複合負極材料等產品。據來自全球電池強國日本的權威信息表明:深圳市貝特瑞電子材料有限公司研發生產的鋰電池負極材料目前處於國內第一,世界第四的地位。[1]

參考文獻

  1. 負極材料有哪幾種豆丁網,2013-03-07