鉅大LARGE | 點擊量：755次 | 2022年01月04日
石墨負極的絕地反擊：中空碳微球高性能負極材料
石墨負極材料是目前鋰離子電池最常用的負極材料，在鋰離子電池充電的過程中，可和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極材料實際比容量為360mAh/g，已經(jīng)接近理論容量，而大多數(shù)石墨負極材料容量多為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要，因此眾多高容量負極材料被陸續(xù)開發(fā)出來，當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極材料，該材料的比表面積高達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，這要遠高于石墨材料372mAh/g的理論比容量，額外的容量重要是由材料的缺陷出現(xiàn)的。但是該材料的不可逆容量較高，達到了1081mAh/g，這重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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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，可以通過負極補鋰等技術(shù)進行解決。目前該方法還僅僅停留在實驗室水平，還要進一步研究，降低成本，提高材料的性能。
