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材料决定新能源汽车的未来——锂电池发展路线专题(二)

2016-05-04 10:49来源:材料人微信关键词:锂离子电池负极材料正极材料收藏点赞

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一、碳材料

碳材料以其丰富的储量、优秀的导电性和良好的循环稳定性而成为负极材料必然的选择。根据碳材料石墨化程度的差别,碳材料通常可以分为石墨材料(天然石墨和改性石墨)和无定形碳(硬碳和软碳)。

石墨材料:石墨具有层状结构,同一层的碳原子呈正六边形排列,层与层之间靠范德华力结合。石墨层间可嵌入锂离子形成锂-石墨层间化合物,除了石墨,其他的碳类材料的储锂机制也是如此。石墨类材料导电性好,结晶度高,有稳定的充放电平台(图1),是目前商业化程度最高的锂离子电池负极材料。我国天然石墨矿产丰富,价格便宜,但是天然石墨吸液性差,分子中不存在交联的sp3结构,墨片分子容易发生平移,从而导致石墨负极材料的循环性能差。为了提高石墨的应用范围,科学家对天然石墨进行改性得到改性石墨,改性石墨通过对原始材料进行表面改性和结构调整,使其部分无序化或者在各类材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构,可加大锂离子嵌入和脱出反应,因此具有高压实、高容量、长寿命等优势(表1)。

图1石墨,硬碳和软碳的充放电曲线

无定形碳材料:硬碳是指在2500℃以上也难以石墨化的碳材料,常见的硬碳有树脂碳和炭黑等;软碳则相反,指高度石墨化的碳材料,常见的软碳材料有碳纤维及碳微球。因为硬碳材料在结构上存在一些微孔或缺陷可供Li+储存和脱嵌,因此硬碳材料具有比石墨更高的放电容量(表1)。然而,由于循环效率低、电压随容量的变化大、缺少平稳的放电平台等原因(图1),硬碳作为负极材料的应用一直受到限制。软碳作为负极组装的锂离子电池负极容量约为250mAh/g,软碳对电解液不敏感,不会造成电解液的分解,锂与电解液在石墨表面形成的钝化层不易分解,过充、过放性能好。但软碳对锂电位较高,在1V左右,造成电池的端电压较低,因此限制了电池的容量和能量密度。

表1常见负极材料的性能对比

人类在探索未知世界的道路上虽然艰辛,但是任何细微材料的提升都会引起能源的革新。2010年英国曼彻斯特大学的安德烈˙海姆和康斯坦丁˙诺沃肖洛夫由于在二维材料石墨烯方面开创性的研究被授予了诺贝尔物理奖,使得碳材料的研究进入了一个新的阶段。

石墨烯是一种特殊的纳米级材料,由于其具有出色的电学性能,良好的热导率与卓越的力学性能而被视作21世纪的“神奇材料”,并将在汽车与能源领域带来巨大革新。以石墨烯为原料的锂电池能量密度高达600wh/kg,是传统动力锂电池的5倍,石墨烯电池研发成功后,新能源汽车续航将大大提升,新能源汽车的推广难题也有望得到解决。但是由于石墨烯密度小、分散性能差、价格昂贵,因此制约着该类复合材料发展。

原标题:材料决定新能源汽车的未来——锂电池发展路线专题(二)
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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