【文末有福利】碳和石墨材料在锂离子电池中的应用与发展

日期：2023-10-26 浏览：905

碳和石墨材料在锂离子电池中的应用与发展

锂离子电池是一种可充电的电化学储能装置，它利用锂离子在正负极之间的往复移动来实现充放电过程。锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、长寿命、低自放电率等优点，广泛应用于移动通讯、电动汽车、便携式电子设备等领域。

锂离子电池的基本结构包括正极、负极、隔膜和电解液。正极通常由金属氧化物或磷酸盐等材料制成，负极通常由碳或石墨等材料制成，隔膜用于阻止正负极之间的直接接触，电解液用于提供锂离子的迁移介质。

碳和石墨材料是锂离子电池中最常用的负极材料，它们具有以下优点：

• 低平台电位：碳和石墨材料与锂离子形成可逆的嵌入反应，其平台电位约为0.1 V左右，这有利于提高锂离子电池的能量密度和安全性。
• 高比容量：碳和石墨材料的理论比容量为372 mA h g-1，远高于其他金属或合金负极材料。
• 良好的导电性：碳和石墨材料具有较高的导电性，可以减少内阻和极化，提高充放电效率和功率密度。
• 环境友好：碳和石墨材料是一种天然存在的无毒物质，可以方便地回收和利用，不会造成环境污染。

本文将介绍碳和石墨材料在锂离子电池中的作用与发展，重点分析不同类型的碳和石墨材料的特点、优缺点和制备方法，以及在锂离子电池中的应用和性能。

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非晶态碳

非晶态碳是一种无定形结构的碳材料，它由无规则排列的碳原子组成，没有明显的晶格参数。非晶态碳可以通过焦油、沥青、油烟等有机物质的热解或气相沉积等方法制备。

非晶态碳作为锂离子电池负极材料的优点是：

• 高比容量：非晶态碳可以嵌入更多的锂离子，其实际比容量可以达到500 mA h g-1以上。
• 良好的循环稳定性：非晶态碳由于没有明确的晶格结构，可以缓冲锂离子嵌入时产生的体积变化，从而抑制裂纹和剥落等现象，保持较高的结构稳定性。

非晶态碳作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 低导电性：非晶态碳由于没有规则的结构，其导电性较差，需要添加大量的导电添加剂来提高其导电性。
• 高首次不可逆损失：非晶态碳在首次充放电过程中会发生较大的不可逆反应，导致部分锂离子和碳原子形成锂化碳化物，从而降低了有效的嵌锂容量。

为了改善非晶态碳的导电性和首次不可逆损失，一种常用的方法是将非晶态碳与其他类型的碳或石墨材料复合，形成多相碳材料。例如，将非晶态碳与合成石墨复合，可以提高复合材料的导电性和循环稳定性。将非晶态碳与细粒石墨复合，可以提高复合材料的比容量和首次可逆容量。

碳包覆活性材料

碳包覆活性材料是指将一层薄薄的碳材料包覆在其他活性材料的表面，形成一种核壳结构的复合材料。碳包覆的作用是：

• 提高活性材料的导电性：由于活性材料通常具有较低的导电性，包覆一层导电性较高的碳材料可以增加活性材料与集流体之间的电子传输效率。
• 保护活性材料的结构稳定性：由于活性材料在充放电过程中会发生体积变化和相变，包覆一层弹性较好的碳材料可以缓冲这些变化，防止活性材料的裂纹和剥落。
• 抑制活性材料的侧反应：由于活性材料与电解液之间会发生一些不可逆的化学反应，包覆一层惰性较强的碳材料可以隔绝这些反应，减少活性材料的消耗和固体电解质界面层（SEI）的形成。

包覆碳的活性材料可以通过化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、溶胶凝胶法、水热法等方法制备。包覆碳的厚度、形貌、结构等因素都会影响复合材料的电化学性能。

包覆碳的活性材料作为锂离子电池负极材料的优点是：

• 高比容量：包覆碳的活性材料可以利用核壳结构中两种不同类型的嵌锂机制来提高比容量。例如，将非晶态碳包覆在硅或锡等金属或合金上，可以实现非晶态碳的嵌入反应和金属或合金的合金化反应，从而获得高达1000 mA h g-1以上的比容量。
• 良好的循环稳定性：包覆碳的活性材料可以通过核壳结构中两种不同类型的材料来缓冲锂离子嵌入时产生的体积变化和应力，从而保持较高的结构稳定性。例如，将碳包覆在硅或锡等金属或合金上，可以防止金属或合金的过度膨胀和粉化，从而延长其循环寿命。

包覆碳的活性材料作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 高成本：包覆碳的活性材料需要使用较复杂和昂贵的制备方法，如CVD或ALD等，这会增加其生产成本和难度。
• 低功率密度：包覆碳的活性材料由于核壳结构的存在，会增加锂离子在复合材料内部的迁移距离和阻力，从而降低其充放电速率和功率密度。

为了改善包覆碳的活性材料的成本和功率密度，一种常用的方法是优化包覆碳的厚度、形貌、结构等因素，使其既能有效地发挥包覆碳的作用，又能减少其对复合材料性能的负面影响。例如，将碳以纳米线、纳米管、纳米片等形式包覆在活性材料上，可以提高复合材料的导电性和锂离子扩散速率。

碳涂层电流集电器

碳涂层电流集电器是指将一层碳材料涂覆在集流体（通常为铜箔或铝箔）上，形成一种复合集流体。碳涂层的目的是：

• 提高集流体的导电性：由于集流体通常具有较低的导电性，涂覆一层导电性较高的碳材料可以增加集流体与活性材料之间的电子传输效率。
• 保护集流体的结构稳定性：由于集流体在充放电过程中会发生氧化还原反应，涂覆一层惰性较强的碳材料可以隔绝这些反应，防止集流体的腐蚀和断裂。
• 抑制集流体的侧反应：由于集流体与电解液之间会发生一些不可逆的化学反应，涂覆一层惰性较强的碳材料可以隔绝这些反应，减少集流体的消耗和固体电解质界面层（SEI）的形成。

碳涂层电流集电器可以通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、热喷涂法、浸渍法等方法制备。碳涂层的厚度、形貌、结构等因素都会影响复合集流体的电化学性能。

碳涂层电流集电器作为锂离子电池负极材料的优点是：

• 高比容量：碳涂层电流集电器可以利用碳材料的嵌入反应来提高比容量。例如，将碳纳米管（CNT）涂覆在铜箔上，可以实现CNT的嵌入反应和铜箔的合金化反应，从而获得高达600 mA h g-1以上的比容量。
• 良好的循环稳定性：碳涂层电流集电器可以通过碳材料的保护作用来保持较高的结构稳定性。例如，将石墨烯涂覆在铝箔上，可以防止铝箔的氧化和腐蚀，从而延长其循环寿命。

碳涂层电流集电器作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 高成本：碳涂层电流集电器需要使用较复杂和昂贵的制备方法，如CVD或PVD等，这会增加其生产成本和难度。
• 低功率密度：碳涂层电流集电器由于涂覆了一层碳材料，会增加复合集流体的厚度和重量，从而降低其充放电速率和功率密度。

为了改善碳涂层电流集电器的成本和功率密度，一种常用的方法是优化碳涂层的厚度、形貌、结构等因素，使其既能有效地发挥碳材料的作用，又能减少其对复合集流体性能的负面影响。例如，将碳以纳米线、纳米管、纳米片等形式涂覆在集流体上，可以提高复合集流体的导电性和锂离子扩散速率。

天然石墨和合成石墨

天然石墨和合成石墨是两种常见的石墨材料，它们都由高度有序排列的碳原子层组成，具有六方晶系或菱方晶系的晶格结构。天然石墨是一种天然存在的矿物，它由地质作用形成，通常含有一些杂质和缺陷。合成石墨是一种人工制造的石墨材料，它由高温高压法、化学气相沉积法、热解法等方法制备，通常具有较高的纯度和均匀性。

天然石墨和合成石墨作为锂离子电池负极材料的优点是：

• 高比容量：天然石墨和合成石墨可以嵌入较多的锂离子，其实际比容量可以达到350 mA h g-1左右。
• 良好的循环稳定性：天然石墨和合成石墨由于具有较高的结晶度和有序度，可以保持较高的结构稳定性，抵抗锂离子嵌入时产生的体积变化和应力。
• 良好的导电性：天然石墨和合成石墨由于具有较高的导电性，可以减少内阻和极化，提高充放电效率和功率密度。

天然石墨和合成石墨作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 低首次可逆容量：天然石墨和合成石墨在首次充放电过程中会发生较大的不可逆反应，导致部分锂离子和碳原子形成锂化碳化物，从而降低了有效的嵌锂容量。
• 易形成固体电解质界面层（SEI）：天然石墨和合成石墨在与电解液接触时会发生一些不可逆的化学反应，导致表面形成一层绝缘性的SEI层，这会增加内阻和自放电率，降低循环寿命。

为了改善天然石墨和合成石墨的首次可逆容量和SEI层形成问题，一种常用的方法是对其进行表面改性或包覆处理，以提高其与电解液之间的相容性。例如，将天然石墨或合成石墨与氧化物、硫化物、氮化物等材料复合或包覆，可以提高其首次可逆容量和循环稳定性。

细粒石墨

细粒石墨是一种由微米或纳米级别的碳颗粒组成的碳材料，它具有类似于非晶态碳的无定形结构。细粒石墨可以通过球磨法、水解法、溶剂法等方法制备。

细粒石墨作为锂离子电池负极材料的优点是：

• 高比容量：细粒石墨可以嵌入更多的锂离子，其实际比容量可以达到400 mA h g-1以上。
• 良好的循环稳定性：细粒石墨由于具有较小的颗粒尺寸，可以缓冲锂离子嵌入时产生的体积变化，从而抑制裂纹和剥落等现象，保持较高的结构稳定性。

细粒石墨作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 低导电性：细粒石墨由于具有较低的结晶度和有序度，其导电性较差，需要添加大量的导电添加剂来提高其导电性。
• 高首次不可逆损失：细粒石墨在首次充放电过程中会发生较大的不可逆反应，导致部分锂离子和碳原子形成锂化碳化物，从而降低了有效的嵌锂容量。

为了改善细粒石墨的导电性和首次不可逆损失，一种常用的方法是将细粒石墨与其他类型的碳或石墨材料复合，形成多相碳材料。例如，将细粒石墨与合成石墨复合，可以提高复合材料的导电性和循环稳定性。将细粒石墨与非晶态碳复合，可以提高复合材料的比容量和首次可逆容量。

炭黑

炭黑是一种由微米或纳米级别的碳颗粒组成的碳材料，它具有类似于非晶态碳的无定形结构。炭黑可以通过煤、油、天然气等有机物质的不完全燃烧或裂解等方法制备。

炭黑作为锂离子电池负极材料的优点是：

• 高比容量：炭黑可以嵌入较多的锂离子，其实际比容量可以达到400 mA h g-1以上。
• 良好的循环稳定性：炭黑由于具有较小的颗粒尺寸，可以缓冲锂离子嵌入时产生的体积变化，从而抑制裂纹和剥落等现象，保持较高的结构稳定性。

炭黑作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 低导电性：炭黑由于具有较低的结晶度和有序度，其导电性较差，需要添加大量的导电添加剂来提高其导电性。
• 高首次不可逆损失：炭黑在首次充放电过程中会发生较大的不可逆反应，导致部分锂离子和碳原子形成锂化碳化物，从而降低了有效的嵌锂容量。

为了改善炭黑的导电性和首次不可逆损失，一种常用的方法是将炭黑与其他类型的碳或石墨材料复合，形成多相碳材料。例如，将炭黑与合成石墨复合，可以提高复合材料的导电性和循环稳定性。将炭黑与非晶态碳复合，可以提高复合材料的比容量和首次可逆容量。

碳特种材料

碳特种材料是指具有特殊结构或功能的碳材料，如纵向生长碳纤维（VGCF）、碳纳米管（CNT）、石墨烯等。这些材料通常具有较高的比表面积、比强度

• 良好的循环稳定性：碳特种材料由于具有较高的比表面积、比强度和弹性模量，可以保持较高的结构稳定性，抵抗锂离子嵌入时产生的体积变化和应力。
• 良好的导电性：碳特种材料由于具有较高的导电性和导热性，可以减少内阻和极化，提高充放电效率和功率密度。

碳特种材料作为锂离子电池负极材料的缺点是：

• 高成本：碳特种材料需要使用较复杂和昂贵的制备方法，如化学气相沉积（CVD）、电弧放电法、机械剥离法等，这会增加其生产成本和难度。
• 高首次不可逆损失：碳特种材料在首次充放电过程中会发生较大的不可逆反应，导致部分锂离子和碳原子形成锂化碳化物，从而降低了有效的嵌锂容量。

为了改善碳特种材料的成本和首次不可逆损失，一种常用的方法是将碳特种材料与其他类型的碳或石墨材料复合，形成多相碳材料。例如，将VGCF或CNT与合成石墨复合，可以提高复合材料的导电性和循环稳定性。将石墨烯与非晶态碳或细粒石墨复合，可以提高复合材料的比容量和首次可逆容量。

结论

碳和石墨材料是锂离子电池中最常用的负极材料，它们具有低平台电位、高比容量、良好的导电性和环境友好等优点。本文介绍了不同类型的碳和石墨材料的特点、优缺点和制备方法，以及在锂离子电池中的应用和性能。通过对碳和石墨材料进行复合、包覆、涂层等改性处理，可以进一步提高其在锂离子电池中的性能。未来，碳和石墨材料还有望与其他新型负极材料如硫化物、氧化物、氮化物等进行协同优化，以实现更高效、更安全、更可持续的锂离子电池。