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负极材料 |
负极指电源中电位(电势)较低的一端。在原电池中,是指起氧化作用的电极,电池反应中写在左边。从物理角度来看,是电路中电子流出的一极。而负极材料,则是指电池中构成负极的原料,目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。
研究进展
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。锂离子电池能否成功地制成,关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。
一般来说,选择一种好的负极材料应遵循以下原则:比能量高;相对锂电极的电极电位低;充放电反应可逆性好;与电解液和粘结剂的兼容性好;比表面积小(<10m2/g),真密度高(>2.0g/cm3);嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好;资源丰富,价格低廉;在空气中稳定、无毒副作用。目前,已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料,如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金、纳米负极材料,以及其他的一些金属间化合物等。
烧结设备
全自动气氛保护隧道式电阻炉用于石墨负极材料的烧成。工艺简述在99.99%的氮气氛保护下对石墨进行烧结。产品中含有沥青等挥发物,不含有洗油,洗油己由定作方先期处理。烧成周期:约22小时各温区划分、进气管路、烟囱位置详见工艺曲线图。
负极材料
传统电池负极材料
(1)碳材料:主要为天然石墨、焦碳和碳纤维等,目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
(2)基于氧化锡的负极材料:利用SnO、SiO2和少量的Al2O3、B2O3、P2O3等的混合物在氩气氛围下逐渐升温到1000℃或略高温度下加热12h,可制得含二价锡的混合氧化物。
石墨负极的优点:
电子电导率高,锂离子扩散系数大,层状结构在嵌锂前后体积变化小,嵌锂容量高,嵌锂电位低。
石墨负极的缺点:
与电解液相容性差,首次充放电可逆容量低,不适合大电流充放电,循环性能差。
锂合金负极材料
能量密度高,但循环稳定性差
硅基负极材料
理论容量高,但体积变化大,造成合金的粉化,容量急剧下降
锡基负极材料
贮锂后材料结构和体积没有明显变化,循环性能好,但是贮锂容量有限
锂电池负极材料
第一种是碳负极材料:目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。
第二种是锡基负极材料:锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。
第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料,目前也没有商业化产品。
第四种是合金类负极材料:包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金,目前也没有商业化产品。
第五种是纳米级负极材料:纳米碳管、纳米合金材料。
第六种纳米材料是纳米氧化物材料:目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大的提高锂电池的冲放电量和冲放电次数。
产业现状
在锂离子电池负极材料中,石墨类碳负极材料以其来源广泛,价格便宜,一直是负极材料的主要类型。除石墨化中间相碳微球(MCMB)、低端人造石墨占据小部分市场份额外,改性天然石墨正在取得越来越多的市场占有率。我国拥有丰富的天然石墨矿产资源,在以天然石墨为原料的锂离子负极材料的产业化方面,深圳贝特瑞电池材料有限公司以高新科技促进传统产业的发展,运用独特的整形分级、机械改性和热化学提纯技术,将普通鳞片石墨加工成球形石墨,将纯度提高到99.95%以上,最高可以达到99.9995%。并通过机械融合、化学改性等先进的表面改性技术研制、生产出具有国际领先水平的高端负极材料产品,其首次放电容量达360mAh/g以上,首次效率大于95%,压实比达1.7g/cm3,循环寿命500次容量保持在88%以上。
产品出口至日本、韩国、美国、加拿大、丹麦、印度等国家,并在国内40余家锂电厂家应用。该公司年产1800吨天然复合石墨(MSG、AMG、 616、717、818等)、1200吨人造石墨负极材料(SAG系列、NAG系列、316系列、317系列)、3000吨球形石墨(SG)、5000吨天然微粉石墨和600吨锰酸锂正极材料,并正在不断扩大生产规模,同时可以根据客户的需求、工艺、设备以及存在的问题为客户开发客户需要的产品。生产的产品品质稳定、均一,具有很好的电化学性能和卓越加工性能,可调产品的比表面积、振实密度、压实密度、不纯物含量和粒度分布等。主要生产设备和检测仪器均从国外进口,从而形成该公司独特的核心竞争力的一部分。在锂离子电池负极材料行业贝特瑞已经引领了该行业的发展方向。
在锂离子电池负极材料领域,该公司的锂离子电池负极材料的已站在新一代国产化材料应用的前沿,代表着石墨深加工的方向。为确保产品持续领先,不断进行技术创新、产品创新、制度创新、思维理念创新,持续进行新产品开发,新近又推出了超高容量的合金负极材料(可逆容量>450mAh/g)、复合石墨PW系列、BF系列、纳米导电材料、锂离子动力电池用多元复合负极材料等产品。据来自全球电池强国日本的权威信息表明:深圳市贝特瑞电子材料有限公司研发生产的锂电池负极材料目前处于国内第一,世界第四的地位。[1]