锂电-石墨负极材料

来源：北测检测

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石墨负极材料的分类和应用

研究机构相关数据显示，2022年全球负极材料出货量达到155.6万吨，同比增长71.9%，其中中国负极材料出货量同比增长84.0%达到143.3万吨，同比增速创历史新高。中国企业负极材料出货量全球占比继续提升，2022年已经超过90%。石墨负极材料是锂离子电池中常用的负极材料之一，具有较高的能量密度和较低的制造成本。它主要由石墨构成，具有较高的导电性和良好的化学稳定性。

图1 石墨微观孔结构从广义上讲，石墨有两种类型：天然石墨（NG）和人造石墨。天然石墨是从岩石中开采出来的。根据天然石墨的结晶度、晶粒尺寸、形态和储备位置，一般分为无定形、片状（结晶）或块状和片状（结晶）。人造石墨是通过石墨化工艺生产的，纯度高达99.9%。与天然石墨相比，人造石墨通常具有较低的密度、较低的电导率和略高的孔隙率。天然石墨和人造石墨的用途包括电池、碳刷、导电材料、燃料电池和润滑剂。[1]因为石墨的令人满意的电化学特性和低成本制造性，商用锂离子电池中大多数负极仍然使用石墨。

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石墨负极材料的储能原理

在电池充放电过程中，石墨负极材料通过锂离子的嵌入和脱出来实现电能的储存和释放。锂电池充电时，电池正极的Li 通过电解液传送到负极。作为负极的石墨具有碳层状带有微孔的结构，Li 到达负极后嵌入层状结构以及微孔中。嵌入的Li 越多，充电容量越高。负极材料能够影响锂离子电池的首次效率、循环性能等。[2]在石墨负极材料中，石墨晶体的大小和形态对电池性能有着重要的影响。一般来说，较小的石墨晶体具有更大的比表面积和更高的反应活性，能够提供更好的电化学性能。同时，通过改善石墨负极材料的结构形态和物理性质，可以进一步提高锂离子电池的能量密度和循环寿命。[3]

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石墨负极材料在电池方面的研究进展

石墨负极材料的理论容量为372mAh/g。然而，实际应用中，石墨负极材料的比容量通常在330～370mAh/g范围内。由于反复的充放电循环，石墨负极会经历体积膨胀和锂离子嵌入/脱出过程中的结构变化，这可能会导致石墨负极的结构逐渐变得不稳定，降低负极的可逆容量和循环寿命。为了解决这些问题，研究人员正在探索一些新型的石墨负极材料，如对石墨引入添加剂形成复合材料、纳米结构石墨、掺杂石墨烯等。这些新型的石墨负极材料具有更高的可逆容量、更稳定的结构以及更好的循环寿命，有望在未来成为主流的电池负极材料。[4]Ding[5]以天然石墨作负极材料，引入聚合物PGB，提高了不同温度下石墨负极的电化学性能。测试显示石墨/PGB在室温下以1.86 A·g–1的电流密度（5C）进行1000次循环后，放电容量为230 mAh·g-1。在60°C下，在5C下200次循环后，其高容量为345 mAh·g-1。从SEM图可观察到石墨/PGB电极中的石墨颗粒涂有一层有机层，看起来更规则、更光滑，这种均匀涂层也必将促进负极表面的均匀SEI，有助于石墨负极在较宽的温度范围内具有良好的循环稳定性。分析其XPS谱图，能够发现石墨/PGB的SEI相比改进前，无机更富集，这比有机结构更致密、更稳定。

图2 石墨/PGB的SEM图和XPS图[5]Chen[6]以石墨烯为碳基体，制备的

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