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高性能石墨負(fù)極材料:中空碳微球

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:710次  |  2019年03月01日  

石墨負(fù)極材料是目前鋰離子電池最常用的負(fù)極材料,在鋰離子電池充電的過程中,可與Li+反應(yīng)生成LiC6的化合物,其理論比容量為372mAh/g,目前容量最高的石墨負(fù)極材料實(shí)際比容量為360mAh/g,已經(jīng)接近理論容量,而大多數(shù)石墨負(fù)極材料容量多為300mAh/g。


隨著鋰離子電池比能量的逐步提高,傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料,如天然石墨、人造石墨,已經(jīng)無法滿足高比能鋰離子電池的需要,因此眾多高容量負(fù)極材料被陸續(xù)開發(fā)出來,當(dāng)然石墨材料也沒有坐以待斃,多種改性技術(shù)被開發(fā)出來,其中最有效,也是最吸引關(guān)注的當(dāng)屬“氮摻雜石墨技術(shù)”和“介孔碳技術(shù)”,這兩種改性方法在大幅提高石墨材料比容量的基礎(chǔ)上,并未降低材料的循環(huán)性能,因此具有良好的應(yīng)用前景。


近日北京理工大學(xué)的XinyangYue等人基于介孔碳技術(shù)開發(fā)了一種微孔-介孔中空碳微球鋰離子電池負(fù)極材料,該材料的比表面積高達(dá)396m2/g,該材料不僅具有高容量特性,并且具有良好的循環(huán)性能,在2.5A/g的電流密度下,循環(huán)1000次仍然保持530mAh/g的比容量。該材料的倍率性能也十分讓人震驚,在60A/g的電流密度下(約為100C),該材料比容量仍然可達(dá)180mAh/g。


研究中XinyangYue利用370nm硅微球作為模板,多巴胺作為碳源,PEO-PPO-PEO(P123)作為孔形成介質(zhì),在400℃下Ar保護(hù)焙燒3h,然后800℃下焙燒3h,最后利用20%的HF在中空碳微球的表面腐蝕出微孔,并除去材料中的硅模板。最后經(jīng)過清洗和真空干燥后,就獲得了微孔-介孔中空碳微球材料。


在SEM照片中該材料為直徑約為400nm均勻分散的微球,表面呈現(xiàn)出由于HF腐蝕所形成的微孔,TEM顯微鏡,則觀察到了該材料的中空結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn),該材料在0.5A/g的電流密度下,可以獲得624mAh/g的電流密度,這要遠(yuǎn)高于石墨材料372mAh/g的理論比容量,額外的容量主要是由材料的缺陷產(chǎn)生的。但是該材料的不可逆容量較高,達(dá)到了1081mAh/g,這主要是由于材料巨大的比表面使得在形成SEI膜的過程中電解液分解較多,消耗較多Li造成的。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

雖然該材料的首次不可逆容量較高,但是該材料具有良好的循環(huán)性能。該材料的首次放電容量為646mAh/g,循環(huán)50次容量下降到502mAh/g,但是隨后比容量開始回升,循環(huán)400次容量為563mAh/g,循環(huán)1000次容量仍可達(dá)500mAh/g以上。


該材料表現(xiàn)最為亮眼的是倍率性能,在1A/g,2.5A/g,5A/g,10A/g,20A/g,40A/g和60A/g的電流密度下,該材料的比容量分別達(dá)到了495mAh/g,382mAh/g,301.3mAh/g,254.4mAh/g,206.5mAh/g,190.7mAh/g和189.3mAh/g,表現(xiàn)出了良好的倍率性能,非常適合應(yīng)用在高功率鋰離子電池上。


目前該材料最大的問題是制備成本過高,振實(shí)密度偏低,難以商業(yè)化應(yīng)用,而材料的首次不可逆容量過高的問題,可以通過負(fù)極補(bǔ)鋰等技術(shù)進(jìn)行解決。目前該方法還僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平,還需要進(jìn)一步研究,降低成本,提高材料的性能。

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