結果表明：取向性較好的焦類原料製備的石墨材料具有較好的快充性能。用改善後的石墨負極製作了高能量密度快充鋰離子電池
，6C/1倍率循環測試300周的容量保持率達到86%以上。

 

 

 

鋰離子電池自從問世以來
，在多個領域得到了廣泛的應用。從目前看，鋰離子電池不但普遍應用在手機、數碼相機、平板電腦等電子產品中，在車載電源領域的應用也取得了一定的突破；從未來市場對鋰離子電池的需求看：快速充電型鋰離子電池將成為鋰離子電池的重要方向。

 

為了改善石墨負極材料的快充性能，本文實驗製備了由不同焦類原料製成的一係列石墨負極材料，對其進行了粒度、偏光以及XRD等測試
，製成鋰離子電池進行倍率充電以及倍率循環測試。並對測試結果進行了分析。

 

鋰離子電池快速充電機理分析以及石墨對鋰電池快充的影響

 

以正極鈷酸鋰，負極石墨為例
，鋰離子電池充電時正負極的反應如下：

 

正極反應方程式：LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi+xe-

 

負極反應方程式：xLi+xe-+6C→LixC6

 

鋰離子電池在充電時

，鈷酸鋰的部分Li+脫離晶格進入電解液
，然後遷移到負極活性物質碳的晶格之中（嵌入）
，生成LixC化合物。

 

在這個過程當中，鋰離子在電場和濃度梯度的作用下從正極遷移、擴散到負極，經曆了在溶液中的液相擴散、在石墨表麵的電化學反應以及在石墨中的固相擴散。

 

而鋰在石墨內部的固相擴散係數相對較小（通常情況下隻有約為10-10cm2.s-1），這zhe使shi鋰li在zai石shi墨mo內nei部bu的de固gu相xiang擴kuo散san容rong易yi成cheng為wei整zheng個ge電dian極ji反fan應ying的de控kong製zhi步bu驟zhou。因yin此ci

，改gai進jin石shi墨mo材cai料liao，提ti高gao鋰li在zai石shi墨mo中zhong的de固gu相xiang擴kuo散san，能neng夠gou有you效xiao降jiang低di電dian池chi的de極ji化hua與yu析xi鋰li的de風feng險xian，提ti升sheng鋰li離li子zi電dian池chi的de快kuai充chong性xing能neng。

 

 

不同焦類原料人造石墨的製備：分別選取不同焦類原料a
，b，c，經過粉粹、過篩處理後，在2800℃溫度下進行高溫石墨化處理

，升溫速度：15℃/min，恒溫時間：5h，高溫處理後的材料過篩250目篩網，得到人造石墨A、B、C。不同人造石墨材料的理化指標見表1。

 

取CR2016型號扣式電池殼，在正極殼中滴加電解液
，再依次放入負極片、隔膜（在負極片、隔膜上分別滴加電解液）
、處理好的鋰片
，泡沫鎳、不鏽鋼片
，蓋上負極殼將電池封口
，製成CR2016型號扣式電池。

 

 

將質量比為96.5：1.5：2的鈷酸鋰
、PVDF
、導電劑碳黑SuperP與溶劑NMP混勻後，塗覆在16μm厚的鋁箔上；將質量比為96：3：1的人造石墨、粘結劑（羧甲基纖維素鈉CMC、丁苯橡膠SBR=1：1）和導電劑碳黑SuperP與溶劑去離子水混勻後
，塗覆在10μm厚的銅箔上。塗覆好的正、負極片經製片、卷繞、幹燥
、注液、封口及化成
、分容等工序
，製成554065型軟包鋰離子電池。

 

 

（1）不同焦類原料的偏光測試三種不同的焦類原料a，b
，c偏光測試的圖片如圖1——圖3。

 

 

圖1對應原料a的偏光照片
，偏光顯示原料a以光學各向同性結構為主，取向性好；

 

 

圖2對應原料b的偏光照片
，結果顯示原料b以鑲嵌型光學結構為主，取向性較好；

 

 

圖3對應原料c的偏光照片
，結果顯示其以流線型和流域性結構為主，取向性較差。

 

三個原料的取向性對比：a的取向性最好
，b其次
，c的取向性最差。

 

（2）石墨XRD測試

 

 

圖4是不同原料、相同製備工藝製成的三種人造石墨A、B
、C的XRD圖譜
，由圖4可知：A、B、C三種材料的主峰位置基本相同，均位於26°2θ角附近


，說明經過高溫石墨化處理後的A
、B
、C三種材料形成了石墨晶體的六方晶型結構。

 

 

表2是不同原料製備人造石墨的XRD結構數據，由數據可知：A
、B、C三種材料的D002值依次減少，說明三種材料的石墨化程度依次升高
；I004/I110值依次升高
，說明三種材料的取向性依次變差。這與原料的偏光測試結果是一致的。取向性好的材料嵌鋰的速度更快。

 

 

測試條件：恒流恒壓放電，放電電流：0.2C/0.5C/1C/2C截止電流：0.005C；恒流充電：0.2C；電壓範圍：5mV——1.5V
，比較恒流放電部分的容量。

 

在扣電體係下


，對電極為金屬鋰，放電工步對應的是嵌鋰工步。圖5為不同原料人造石墨的在大電流（2C）下的嵌鋰曲線圖。從曲線圖上可以看出：A的嵌鋰平台最高。由XRD數據可知A的各項同性性能較好。

 

 

材料的各項同性性能好，則在快速充電時鋰離子可以從各個方麵嵌入到石墨層間，有利於鋰離子的快速充電。
 

 

測試條件：恒流恒壓充電，充電電流：6C
，截止電壓：4.35V
，截止電流：0.05C；恒流放電，放電電流;1C，截止電壓：3.0V。

 

 

圖6為不同原料人造石墨倍率循環曲線圖。在6C/1C測試條件下
，A材料的300周容量保持率為86.45%，倍率循環性能表現最好。

 

鋰離子電池在循環的過程中伴隨有SEI膜的破損/修複以及電解液的消耗，因此隨著循環的進行鋰離子電池嵌鋰的極化會有所增加。

 

在大電流充電時，A材(cai)料(liao)由(you)於(yu)嵌(qian)鋰(li)速(su)度(du)會(hui)較(jiao)快(kuai)，大(da)電(dian)流(liu)充(chong)電(dian)時(shi)的(de)極(ji)化(hua)相(xiang)對(dui)較(jiao)小(xiao)，在(zai)電(dian)池(chi)循(xun)環(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)大(da)倍(bei)率(lv)充(chong)電(dian)時(shi)能(neng)夠(gou)更(geng)好(hao)的(de)避(bi)免(mian)由(you)於(yu)極(ji)化(hua)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)析(xi)鋰(li)風(feng)險(xian)。

 

 

本文分析了石墨負極材料對鋰離子電池快充性能的影響機理，製作了不同焦類原料的一係列石墨類負極材料
，對其進行了粒度
、偏光以及XRD等測試，並製成鋰離子電池進行倍率充電以及倍率循環測試。結果表明：

 

（1）不同焦類原料製備的石墨材料取向性有差異，相同的製備工藝，取向性較好的焦類原料製備的石墨材料的取向性也較好；

 

（2）對石墨材料的XRD結構測試表明：材料本身的結構影響了材料的快充性能
，在粒度相同的情況下，取向性較好的石墨材料快充性能相對更好一些。