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        一分鐘搞清石墨負(fù)極材料的10個(gè)核心性能指標(biāo)


        來源:中國(guó)粉體網(wǎng)   平安

        [導(dǎo)讀]  石墨負(fù)極材料的技術(shù)指標(biāo)眾多,且難以兼顧,主要包括比表面積、粒度分布、振實(shí)密度、壓實(shí)密度、真密度、首次充放電比容量、首次效率等。

        中國(guó)粉體網(wǎng)訊  石墨負(fù)極材料的技術(shù)指標(biāo)眾多,且難以兼顧,主要包括比表面積、粒度分布、振實(shí)密度、壓實(shí)密度、真密度、首次充放電比容量、首次效率等。除此之外,還有電化學(xué)指標(biāo)如循環(huán)性能、倍率性能、膨脹等等。

        來自鞍鋼化學(xué)科技有限公司的研究人員綜述了石墨負(fù)極材料的核心性能指標(biāo)對(duì)其性能的影響。

        比表面積

        指單位質(zhì)量物體具有的表面積,顆粒越小,比表面積就會(huì)越大。

        小顆粒、高比表面積的負(fù)極,鋰離子遷移的通道更多、路徑更短,倍率性能就比較好,但由于與電解液接觸面積大,形成SEI膜的面積也大,首次效率也會(huì)變低。大顆粒則相反,優(yōu)點(diǎn)是壓實(shí)密度更大。

        石墨負(fù)極材料的比表面積小于5m2/g為宜。

        粒度分布

        石墨負(fù)極材料的粒度對(duì)其電化學(xué)性能的影響表現(xiàn)在負(fù)極材料粒度大小將直接影響材料的振實(shí)密度以及材料的比表面積。

        振實(shí)密度的大小將直接影響材料的體積能量密度,合適的材料粒度分布才可以最大限度的發(fā)揮材料的性能。




        石墨負(fù)極材料標(biāo)準(zhǔn)中的粒度分布


        振實(shí)密度

        振實(shí)密度是依靠震動(dòng)使得粉體呈現(xiàn)較為緊密的堆積形式下,所測(cè)得的單位容積的質(zhì)量。它是衡量活性材料的一個(gè)重要指標(biāo),鋰離子電池體積是有限的,若振實(shí)密度高,則單位體積的活性物質(zhì)質(zhì)量大,體積容量就高。

        壓實(shí)密度

        壓實(shí)密度主要針對(duì)極片,指負(fù)極活性物質(zhì)和粘結(jié)劑等制成極片后,經(jīng)過輥壓后的密度,壓實(shí)密度=面密度/(極片碾壓后的厚度減去銅箔厚度)。

        壓實(shí)密度與片比容量、效率、內(nèi)阻以及電池循環(huán)性能有密切關(guān)系。


        壓實(shí)密度的影響因素:顆粒的大小、分布和形貌都有影響。

        真密度

        材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下(不包括內(nèi)部空隙),單位體積內(nèi)固體物質(zhì)的重量。

        由于真密度是密實(shí)狀態(tài)下測(cè)得,會(huì)高于振實(shí)密度。一般地,真密度>壓實(shí)密度>振實(shí)密度。

        石墨負(fù)極材料標(biāo)準(zhǔn)中的密度要求


        首次充放電比容量

        石墨負(fù)極材料在最初的充放電循環(huán)中存在不可逆容量,在鋰離子電池的首次充電過程中,負(fù)極材料表面隨著鋰離子的嵌入,電解液中的溶劑分子共嵌,在負(fù)極材料表面分解形成SEI鈍化膜。只有在負(fù)極表面完全被SEI膜覆蓋后,溶劑分子不能嵌入,反應(yīng)才得以停止。產(chǎn)生SEI膜要消耗一部分鋰離子,這部分鋰離子不能在放電過程中由負(fù)極表面脫出,因此造成不可逆容量損失,從而降低了第一次放電比容量。

        首次庫倫效率

        評(píng)價(jià)一種負(fù)極材料性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)就是其首次充放電效率,也稱首次庫倫效率。首次庫倫效率直接決定電極材料的使用性能。




        由于SEI膜大多是在電極材料的表面形成,所以電極材料的比表面積直接影響SEI膜的形成面積,比表面積越大,與電解液接觸面積也越大,形成SEI膜面積也越大。

        一般認(rèn)為,形成穩(wěn)定的SEI膜對(duì)電池的充放電是有利的,那種不穩(wěn)定的SEI膜對(duì)反應(yīng)是不利的,會(huì)不斷消耗電解液,加厚SEI膜的厚度,增大內(nèi)阻。

        循環(huán)性能

        電池循環(huán)性能是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時(shí),電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。在循環(huán)性能方面,SEI膜會(huì)對(duì)鋰離子的擴(kuò)散有一定的阻礙作用,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,SEI膜會(huì)不斷脫落、剝離、沉積在負(fù)極表面,導(dǎo)致負(fù)極的內(nèi)阻逐漸增加,帶來熱累積和容量損失。

        膨脹

        膨脹和循環(huán)壽命是正相關(guān)的關(guān)系,負(fù)極膨脹后,第一,會(huì)造成卷芯變形,負(fù)極顆粒形成微裂紋,SEI膜破裂重組,消耗電解液,循環(huán)性能變差;第二,會(huì)使隔膜受到擠壓、尤其極耳直角邊緣處對(duì)隔膜的擠壓較嚴(yán)重,極易隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行引起微短路或微金屬鋰析出。

        就膨脹本身來說,石墨嵌鋰過程中鋰離子會(huì)嵌入石墨層間距里,導(dǎo)致層間距擴(kuò)張、體積增大,這種膨脹部分是不可恢復(fù)的。膨脹的多少與負(fù)極的取向度有關(guān),取向度=I004/I110,通過XRD數(shù)據(jù)可以計(jì)算出來。各向異性的石墨材料在嵌鋰過程中傾向于往同一個(gè)方向(石墨晶體的C軸方向)發(fā)生晶格膨脹,因此將導(dǎo)致電池發(fā)生較大的體積膨脹。

        倍率性能

        鋰離子在石墨負(fù)極材料中的擴(kuò)散具有很強(qiáng)的方向性,即它只能垂直于石墨晶體C軸方面的端面進(jìn)行插入。小顆粒、高比表面積的負(fù)極材料的倍率性能較好。另外,電極表面電阻(SEI膜帶來)和電極導(dǎo)電性也影響倍率性能。

        與循環(huán)壽命和膨脹相同,各向同性的負(fù)極,鋰離子傳輸通道多,解決了各向異性結(jié)構(gòu)中嵌入脫出的入口少、擴(kuò)散速率低的問題,對(duì)大電流充放電也有作用,因此,石墨負(fù)極材料多采用造粒、包覆等工藝技術(shù)來提高其倍率性能。

        資料來源:何瑩等,鋰離子電池石墨負(fù)極材料的性能及發(fā)展研究概述,鞍鋼化學(xué)科技有限公司

        (中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安)

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        作者:平安

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