人造石墨锂电池负极材料在动力电池的应用
高功率石墨电极在锂离子电池中的应用研究
高功率石墨电极在锂离子电池中的应用研究摘要：随着移动电子设备和电动汽车的快速发展，锂离子电池作为新一代高能量密度和高功率密度电池的代表，受到广泛关注。
而石墨电极作为重要的锂离子电池材料之一，在锂离子储能领域有着重要的应用价值。
本文旨在探讨高功率石墨电极在锂离子电池中的应用研究，并分析其优势与挑战。
引言：锂离子电池是一种以锂离子的嵌入/脱嵌过程来存储和释放电能的器件。
石墨电极作为锂离子电池的负极材料，具有很高的比能量和循环寿命，然而在高功率应用中的表现并不理想。
为了满足日益增长的高功率应用需求，研究人员开始寻找提高石墨电极功率特性的方法。
高功率石墨电极的开发将为电动汽车和可穿戴设备等领域的应用带来重要的突破。
1. 高功率石墨电极的优势和特点：石墨电极作为负极材料有着以下优势：1）丰富的资源，低成本制备；2）较高的比能量和循环寿命；3）良好的化学和物理稳定性。
而高功率石墨电极在这些基础上还具有如下特点：1）高电导率，有助于提高电池的输出功率；2）较低的内电阻，减少能量损失；3）良好的嵌入/脱嵌动力学特性，提高电池充放电速度。
2. 高功率石墨电极改进的方法：为了提高石墨电极的功率特性，研究人员采取了一系列改进方法，包括结构优化、添加剂掺杂和导电性调控等：1）结构优化：通过改变石墨电极的晶格结构和孔隙性质，提高锂离子扩散速率；2）添加剂掺杂：添加锂盐或其他金属氧化物等添加剂，改善石墨电极的电化学性能；3）导电性调控：通过控制石墨电极的导电性，降低内电阻并提高功率输出。
3. 高功率石墨电极的应用：在锂离子电池领域，高功率石墨电极已经得到了广泛的应用。
一方面，在电动汽车领域，高功率石墨电极可以提供更高的输出功率和更短的充电时间，以满足电动车辆对高功率的需求；另一方面，在可穿戴设备和移动电子设备领域，高功率石墨电极可以提高设备的使用时间和续航能力，提供更好的用户体验。
4. 高功率石墨电极的挑战和前景：尽管高功率石墨电极在锂离子电池中的应用取得了很大的成功，但仍然存在一些挑战：1）易发生石墨烯化，导致电化学性能损失；2）表面的锂离子聚集和金属锂枝晶的生长，导致安全性问题。
锂电池石墨负极材料分类及应用前景
锂电池石墨负极材料分类及应用前景一、石墨负极材料概述石墨是一种耐高温耐腐蚀具有良好导电性、导热性和稳定化学性能的材料。
石墨作为电池负极有以下几项优点：（1）石墨电子电导率高；（2）层状结构在嵌锂前后体积变化小；（3）嵌锂容量高；（4）嵌锂电位低；二、石墨负极的分类（1）天然石墨，其中又分为鳞片石墨和微晶石墨。
鳞片石墨结晶较好，是含碳岩石经过长期地质作用变质的矿物，明显的片状或板状。
微晶石墨：一般呈微晶集合体，是煤变质矿物。
（2）人造石墨，是有一种用碳素材料（针状焦、石油焦）为原料经热干馏加工而成，人造石墨的特点为高压实，高容量，长寿命。
人造石墨又分中间相碳微球和石墨化碳纤维。
中间相碳微球呈球状结构，比较面积小，是最有发展的碳材料。
石墨化碳纤维：有很好的浸润性能，良好的充放电性能。
从下表我们可以对比出各种石墨的性能三、天然石墨的使用天然石墨一般都以天然石墨矿石出现。
鳞片石墨原矿品位一般为3~13.5%，个别富矿可达20%。
优点是：嵌锂电化学容量高；加工工艺成熟；放电电压平台平稳；缺点：石墨层剥离；与电解液相容性差；电池鼓胀。
天然石墨不能直接用于电池负极材料，主要的原因是石墨层的“剥落”导致循环性能变坏，当前对石墨的改性主要有以下几种：（1）机械研磨：通过研磨后可获得一定含量的菱形石墨相，菱形石墨相的存在有利于石墨表面SEI膜的生成，从而提升材料的比容量和循环性能。
（2）氧化处理：通过相和液相氧化可去除石墨颗粒表面一些缺陷结构，减少首次循环不可逆容量，提高充放电效率。
（3）碳包覆：设法在天然石墨表面包覆一层热解碳，形成以石墨为核心的“核-壳”结构。
处理后可减缓碳电极表面的不均匀反应性质，使电极表面形成一层均匀、薄而致密、不易脱落的SEI膜。
（4）掺杂：引入其他金属或非金属的元素能够提高材料的电化学性能：如硼、氮、硅、磷、硫、钾、镁、铝、镍、钴、铁等。
四、石墨负极的现状和前景近年来全球锂电池材料市场的发展速度不断加快，锂电池市场需求节节走高，直接带动了材料市场的大发展。
3锂离子电池负极材料与应用简介-20110312
人造石墨简介—石墨单颗粒的晶型特点
微米级的石墨单颗粒都具有一定程度的各向异性的特点。
作为锂离子二次电池负极材料，石墨单颗粒的各向异性特 征会在一定程度上引起电池制作过程中的下列特性 ①极片膨胀且易脱落 ②与电液相容性变差 ③循环变差 ④平台变低
改变石墨单颗粒的各向异性是人造研发根本。
高度各向异性负极材料单颗粒示意图
石墨电极的充放电曲线
一、负极概述—石墨负极材料充放电示意图
电解液
石墨单颗粒
Ｌi+
Ｌi+
Ｌi+ Ｌi+
Ｌi+ PC
Ｌi+
《1》一般石墨负极材料的层间距为3.356－3.366A左右。
PC
《2》锂离子与石墨发生插层反应（嵌入）石墨层间距要
扩张到3.70左右。
PC
《3》PC与石墨发生插层反应石墨层间距要扩张到7.98左
中间相石墨简介—中间相石墨应用
近年来，利用中间相炭微球负极材料所具有的高的倍率性能、长 循环寿命和高安全性能，中间相炭微球负极材料在动力电池上得到广 泛应用，同时也在一些高倍率航模、车模及圆柱电池中使用；
中间相石墨简介—中间相石墨改进方向
1、通过合成与热处理工艺改进，提高石墨化度； 实施效果----容量提高5%，压实提高10%左右；
一、负极概述—石墨的插锂特性
（１）插锂电位低且平坦，可为锂离子提供高的、平稳的工作电压，大部分插锂容 量分布在-0.20V～0V之间（vs.Li/Li+）；
（２）插锂容量高，LiC6的理论容量为372mAh/g； （３）与有机溶液相容能力差，易发生溶剂共插入现象，从而降低插锂性能。
锂的插入反应 一般是从菱形位置 （即端面，Z字型 面和扶椅型面）进 行，因为锂从完整 的墨片基面是无法 穿过的。但是如果 基面存在缺陷结构 诸如微孔等，也可 以经基面进行插锂。
人造负极材料原料结构
人造负极材料原料结构
人造负极材料是指用人工合成的化合物作为锂离子电池负极
材料。
目前常用的人造负极材料包括石墨、硅基材料和金属氧
化物等。
1.石墨：石墨是目前最常用的负极材料之一。
其结构是由层
状的碳原子组成，碳原子之间通过共价键连接形成平面的六角
环状结构。
这种结构使得石墨具有良好的导电性和储锂性能，
因此在锂离子电池中广泛应用。
2.硅基材料：硅基材料是一种新型的人造负极材料，在提高
锂离子电池容量方面具有很大的潜力。
硅的结构类似于石墨，
由层状的硅原子组成，但是硅原子之间的键结合更强，使得硅
基材料具有更高的锂储存容量。
然而，硅材料在嵌锂和脱锂过
程中容易发生体积膨胀，导致材料破裂和容量衰减，因此目前
还在研究中寻找解决方案。
3.金属氧化物：金属氧化物如锰氧化物、钴氧化物、镍氧化
物等也被广泛应用于锂离子电池负极材料中。
这些材料的结构
复杂，不同的金属氧化物具有不同的结构。
以锰氧化物为例，
其结构主要由锰离子和氧离子组成，锰离子的氧化态多种多样，可以提供多个锂嵌入位来储存锂离子。
总的来说，人造负极材料的原料结构多样，不同的材料具有
不同的结构特点和储锂机制。
石墨具有六角环状结构，硅基材
料具有层状硅原子结构，金属氧化物结构复杂，由金属离子和
氧离子组成。
通过在这些材料中嵌锂或者脱锂过程来实现锂离子的储存与释放。
这种多样性的结构特点使得人造负极材料在锂离子电池领域具有广泛的应用前景。
锂电池负极材料-四大霸主-有什么特点
锂电池负极材料”四大霸主”有什么特点锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。
负极材料是锂离子电池储存锂的主体，使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。
锂电池充电时，正极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向负极运动与电子合成锂原子。
放电时，锂原子从石墨晶体内负极表面电离成锂离子和电子，并在正极处合成锂原子。
负极材料主要影响锂电池的首次效率、循环性能等，负极材料的性能也直接影响锂电池的性能，负极材料占锂电池总成本5~15%左右。
负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。
从技术角度来看，未来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。
随着技术的进步，目前的锂离子电池负极材料已经从单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。
四种负极材料对比独占一方的石墨烯石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，因为质地薄、硬度大且电子移动速度快而被科学家广泛推崇，并冠以“新材料之王”的美誉。
尽管这位“王者”优异的化学性能被新能源市场所看好，但是至今为止依然停留在“概念化”的阶段。
如果将石墨烯用作锂电负极材料的话，需要独立的上下游产业链、昂贵的价格还有复杂的工艺，这让众多负极材料厂商望而却步。
尽管如此，国内依然有一些企业砥砺前行，目前中国安宝、大富科技以及贝特瑞等知名企业已经开始布局石墨烯产业。
但是，行业内关于石墨烯用作负极材料的质疑也在不断发酵，有人认为石墨烯的振实和压实密度都非常低，又加之成本昂贵，作为电池负极材料前景十分渺茫。
但是鉴于它的热潮还在持续，说它是“一方霸主”也不为过。
控制“主场”的人工石墨目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主，这两种石墨各有优劣。
湖州创亚总经理胡博表示：“天然石墨克容量较高、工艺简单、价格便宜，但吸液及循环性能差一些;人造石墨工艺复杂些、价格贵些，但循环及安全性能较好。
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展2010-11-10 14:45:06 中国石墨碳素网文/苗艳丽杨红强岳敏天津市贝特瑞新能源材料有限责任公司随着汽车行业的发展，石油、天然气等不可再生石化燃料的耗竭日益受到关注，空气污染和室温效应也成为全球性的问题。
为解决能源问题、实现低碳经济，基于目前能源技术的发展水平，电动汽车技术逐渐成为全球经济发展的重点方向，美国、日本、德国、中国等国家相继限制燃油车使用，大力发展电动车。
作为电动汽车的核心部件——动力电池也迎来了大好的发展机遇。
动力电池是指应用于电动车的电池，包括锂离子电池、铅酸电池、燃料电池等，其中，锂离子电池因具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性，成为目前各国发展的重点。
国外政府及企业在动力锂离子电池研发上均做出了很大的努力。
我国的锂离子电池产业起步虽较晚，但发展速度非常快，同时，政府给予了大力的支持。
“十一五”期间，“863”电动汽车重大专项对混合动力（HEV）、外接充电式混合动力（PHEV）用锂离子电池关键材料和电池进行了专门的研究。
与锂离子电池其他部件相比，锂离子电池负极材料的发展较为成熟。
在商业应用中，石墨类碳材料技术较为成熟，市场价格也比较稳定，但随着锂离子动力电池对能量密度、功率密度、安全等性能的要求不断提升，硬碳、钛酸锂（Li4Ti5O12）、合金等其他材料也相继成为研究热门。
一、动力锂离子电池负极材料简介1.动力锂离子电池负极材料特性锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜和其他附属材料组成。
锂离子电池负极材料要求具备以下的特点：①尽可能低的电极电位；②离子在负极固态结构中有较高的扩散率；③高度的脱嵌可逆性；④良好的电导率及热力学稳定性；⑤安全性能好；⑥与电解质溶剂相容性好；⑦资源丰富、价格低廉；⑧安全、无污染。
2.动力锂离子电池负极材料主要类型早期人们曾用金属锂作为负极材料，但由于存在安全问题没有大规模商业应用。
锂离子电池人造石墨类负极材料用原料焦
锂离子电池人造石墨类负极材料用原料焦锂离子电池，这个词听起来是不是有点高大上？但其实它跟我们生活的方方面面都息息相关。
想象一下，手机、电脑、甚至电动车，统统都离不开它。
今天咱们来聊聊这电池里不可或缺的一部分——负极材料。
特别是那种用人造石墨做的负极材料。
听起来好像有点复杂，其实说白了，就是一些特别的焦炭。
来，放轻松，我们一起揭开这个神秘的面纱。
负极材料就像电池里的小伙伴，默默地工作，不求回报。
石墨在这里的角色可不小，它负责储存和释放锂离子。
就像一个聪明的仓库，灵活又高效。
人造石墨呢？它更是被加工得服服帖帖，性能杠杠的。
想象一下，那种在厨房里滚来滚去的丸子，别看小，但能把大菜做得美味无比。
现在说到原料焦。
嘿，听起来有点吓人，其实它就是把一些特定的材料通过高温处理，让它们变得更加稳定。
就像我们在烹饪时，火候掌握得恰到好处，食材的味道才能被激发出来。
这个焦不仅可以提高石墨的电导率，还能增强其结构的稳定性。
说到这里，大家是不是开始想象焦的样子了？别急，咱们接着聊。
有趣的是，这些原料焦的制作过程就像是一场精心安排的舞会。
得准备好原材料。
可以是煤、石油焦等，这些材料都是大自然的馈赠。
然后，经过一系列复杂的处理，就像化妆师为明星们精心打扮一样，让它们变得更加光鲜亮丽。
这一切都为后面的石墨材料奠定了基础。
经过高温烧制后，焦变得非常稳定。
就像经历了风雨洗礼的人，变得更加成熟。
这个过程不仅能提高材料的性能，还能使其在电池使用时更加持久。
这就像是咱们在生活中经历过的挫折，反而让我们变得更加坚韧。
说到锂离子电池，人造石墨的负极材料在电池里的重要性简直就是举足轻重。
没它可不行，就好比做菜没有盐。
充电的时候，锂离子就像小精灵一样，从正极飞到负极，储存起来。
放电的时候，精灵又飞回去，释放出电能。
这个过程就像是一场精彩的舞蹈，轻盈又优雅。
而人造石墨作为负极材料，正是这场舞蹈的最佳伴侣。
再说，负极材料的选择也不是随便的。
这玩意儿得耐高温、导电性强、还得环保。
动力电池正负极材料
动力电池正负极材料介绍动力电池是电动汽车和混合动力汽车的关键组成部分。
正负极材料是动力电池中非常重要的组成部分，直接影响着电池的性能和寿命。
本文将全面、详细、完整地探讨动力电池正负极材料的特点、种类以及其在电池性能中的作用。
正极材料正极材料是动力电池中起着重要作用的一部分。
它承担着将电子从负极传输至正极的功能。
以下是几种常见的正极材料：1. 锂镍锰钴氧化物 (NMC)•特点：–具有较高的能量密度和循环寿命，是目前应用最广泛的正极材料之一。
–具有较好的安全性能和稳定性。
•应用场景：–适用于电动汽车、混合动力汽车等高能量密度要求的领域。
2. 磷酸铁锂 (LFP)•特点：–具有较好的循环寿命，高温性能较强。
–具有较高的安全性能，不易发生热失控等危险情况。
•应用场景：–适用于电动客车、电动物流车等对安全性能要求较高的领域。
3. 钴酸锂 (LCO)•特点：–具有较高的能量密度和电压平台，容量较大。
–具有较好的循环寿命。
•应用场景：–适用于便携式电子设备、电动工具等对能量密度要求较高的领域。
负极材料负极材料是动力电池中另一个重要的组成部分。
它承担着接收正极电子的功能，并储存锂离子。
下面是几种常见的负极材料：1. 石墨•特点：–具有良好的导电性和循环寿命。
–价格相对较低。
•应用场景：–适用于电动汽车、混合动力汽车等大容量需求的领域。
2. 硅负极•特点：–具有较高的储锂容量，能增加电池能量密度。
–高温稳定性较好。
•应用场景：–适用于对能量密度要求较高的领域，如电动车辆。
3. 锡负极•特点：–具有良好的循环寿命和较高的储锂容量。
–可以改善电池的功率性能。
•应用场景：–适用于对循环寿命和功率要求较高的领域，如电动汽车。
正负极材料在电池性能中的作用正负极材料不仅直接影响电池的能量密度、循环寿命和安全性，还关系到电池的功率性能和充电速度。
下面将分别探讨这些影响因素：能量密度正极材料中储存的化学能量决定了电池的能量密度。
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政策 元的补助计划，以促进
源。
提高提高至新台
车用电池以及相关零组
币1亿6，000万元。
件发展，特别注重在油
政府预估在3年内
电混合车以及锂电池的
推动10个电动车
技术提升。
示范运行专品，
成立[电动车（EV）联盟]，
创造3年3，000辆
目标是于2040年时有2亿
电动车上路。
辆的各系列EV。
中国新能源汽车产业政策
针状焦
价格 万元/吨
资源
生产技术
0.2~0.4
2~3
0.8 ~1.5
丰富
生产厂家较少，产 生产厂家较少，产能有限。 能小，产量受限， 针状焦也是石墨电极的主 今年涨价幅度较大 要原料，负极生产厂家很
难争取资源
环保，无污 较复杂，较耗能， 非常复杂，国内仅3家有该 染，耗能少 易产生环境污染 技术，且质量一般，优质
≧94
天然石墨A ≦0.10 ≧1.0 ≧1.60 ≧2.22 18±3 ≦2.0 ≧355 ≧95
≧91
MGP ≦0.10 ≧1.35 ≧1.65 ≧2.18 20±3 ≦1.2 ≧330 ≧95
≧95
新型负极材料KW-TB/PB简介
产品特点 石墨化程度高 GPB=93%， GTB=92%
新型负极材料KW-TB/PB简介
原料需进口
锂电池碳负极材料对比
产品特点
产品种类
KW-TB/PB 包覆天然石墨
针状焦类
MGP
放电容量
335
360
355
330
动力电池循环 寿命，% 安全性
1000Th≧87 好
1000Th≧80 较好
1000Th≧85 较好
1000Th≧87 优
动力电池应用
好
效果
价格
7~8
万元/吨
一般 7~10
较好 7~10
优 10~16
的 发展方向
任务的提出 1、目前，电池成本占电动车的一半 2、电池的循环性能和安全性需进一步提高
动力电池负极材料对策 1、生产工艺创新，降低生产成本，从而拉低产品价 格 2、提高产品的循环性能和使用寿命
新型负极材料KW-TB/PB简介
KW-TB
KW- PB
新产品型理负化指极标材料KW-TB/PB简介
占 整 个 车 辆 放量从目前178 排放量水准；于2050
标
50%
ห้องสมุดไป่ตู้
克减至138克。 年回到2000年排放量
50%的水准。
补助 编列4亿美元的预算建置 实 施 [ 绿 色 制 ] ，6年内投资约10 行政 院 会 将锂 电
&
充电站。
购买电动车可 亿欧元用于燃 池研发的法人科
补贴 能源部特别成立20亿美 享受惠税制。 料 电 池 与 氢 能 技专 案 预 算补 助
产品特点 循环性能好（KW-TB）
新型负极材料KW-TB/PB简介
产品特点 循环性能好（KW-PB）
新型负极材料KW-TB/PB简介
产品特点 适应循环经济的发展
原料利用煤炭和石油工业副产品 生产过程中产生副产品综合利用 工艺创新，成本降低 KW-TB的理化性能接近于GMP KW-PB的理化性能与包覆天然石墨相当 价格降低20%~50%
锂电池碳负极材料分类
石墨负极材料 天然石墨
包覆类天然石墨负极材料 复合天然石墨负极材料 人造石墨 中间相微小球（MCMB） 针状焦类负极材料 石油焦类负极材料
KW-TB/PB类负极材料（天津锦美公司研制）
碳负极材料 玻璃炭 热解碳 碳纤维
锂电池碳负极材料对比
原料
原料种类 KW-TB/PB 提纯天然石墨
2009年，国务院《汽车产业调整和振兴规划》，形成50万辆新能 源汽车产能和10亿Ah车用高性能单个动力电池生产能力。
2009年，科技部和财政部共同启动中国大陆的[十城千辆]计划， 2010年要有1万辆、2013年3万辆的各式电动车。
2010年，国务院《节能与新能源汽车发展规划》 到2020年，新能源汽车保有量达到500万辆 财政支持：10年投入1000亿 税收减免：消费者免征纯电动汽车购置税，列入《国家重点支 持的高新技术领域》的整车企业及关键零部件企业，享受国家 有关高新技术企业所得税税收优惠政策
天津锦美碳材科技 发展有限公司
新能源汽车产业发展对锂电池 负极材料的影响
动力锂电池时负间极材料需求预测2015
需求量/万吨
4
产值/亿元
40
2020 20 200
各大生产厂家的扩产计划 日本昭和电工的产能从2009年1000吨/年提高到2012年3000吨/年。 台湾中钢碳素的第4条生产线年初正式投产中，产能达到2000吨 台湾的丽昌2009年开始在大连新建年产3000吨锂电池负极材料的生产线。 大陆的贝特瑞、杉杉科技等厂也纷纷宣布增产和扩建计划 预计2010年产能将达到3万吨。
项目
灰分，%
振实密度， g/cm3 压实密度， g/cm3 真密度， g/cm3 D50，μ m
比表面积 m2/g
3周平均放电容 量，mAh/g 3周平均库伦效
率，% 循环性能 （100周），%
KW-TB ≦0.05 ≧1.15 ≧1.65 ≧2.19 19±2 ≦1.5 ≧335 ≧94
≧94
KW-PB ≦0. 05 ≧1.20 ≧1.65 ≧2.19 19±2 ≦1.2 ≧335 ≧94
人造石墨锂电池负极材 料在动天津力锦美电碳池材科的技发应展有用限公司
2010.12.8
2010至2015年全球电动车市场 结构与规模预测
全球主要国家和地区电动车 相关法令与补助
美国
日本
欧盟
台湾
电 动 到2050年美国有100万台油 2050年电动车 2012年将碳排 于2025年回到2000年
车 目 电混合车。