【摘要】 用作锂离子电池负极的碳素材料，其嵌锂过程与锂-石墨层间化合物（GICs）密切相关。

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炭材料在锂电池中的应用具有显著的优势，但同时也存在一些缺点。目前已经用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如石墨、中间相炭微珠(MCMB)、石油焦、碳纤维等。

 

炭材料优缺点

①嵌锂能力相当突出，其理论嵌锂容量高达372mAh/g。这意味着在相同的质量下，碳素材料能够储存更多的能量，为电池提供更高的能量密度。

②在嵌锂过程中表现出低且平坦的电位特性。大部分嵌锂容量分布在0.0~0.2V之间（相对于Li/Li+），这为锂离子电池提供了高而平稳的工作电压。稳定的电压输出不仅保证了电池的性能稳定，还延长了电池的使用寿命。

③这是一种经济实惠的材料，其成本相对较低。同时，它无毒且稳定，避免了使用活泼的金属锂可能带来的安全隐患。此外，碳素材料在放电状态下表现稳定，避免了枝晶的产生，进一步提高了电池的安全性和稳定性。

④容量受溶剂的影响程度较大，与某些有机溶剂（如PC、THF等）的相容能力较差。在这些溶剂体系中，炭负极表面难以形成有效的保护层，可能导致溶剂插入石墨层间并在石墨结构层内还原，最终破坏石墨结构层。这一问题不仅影响了电池的性能，还可能缩短电池的使用寿命。

 

1.锂-石墨层间化合物（Li-GIC）

用作锂离子电池负极的碳素材料，其嵌锂过程与锂-石墨层间化合物（GICs）密切相关。GICs的形成基于石墨层间结合力小、层间距大的特性，使得锂等原子、基团或离子能够轻易嵌入石墨层间。根据锂嵌入量的不同，可以形成不同阶的GICs，如IV阶、III阶等，直至达到最高程度的I阶GIC。

 

图1：图片源自网络

 

2.石墨

石墨

导电性好，结晶度高，层状结构适合锂嵌入/脱嵌

优良充放电电势平台，大容量，广泛用于锂离子电池负极

人工石墨

惰性气体中高温处理制得，包括MCMB、石墨纤维等

MCMB

  • 由沥青聚合中间相转化期小球体分离制得

  • 分子层片平行堆砌结构，微球形与自烧结性能

  • 用于锂离子电池负极、高密度炭石墨材料、高比表面积活性炭等

 

图2：图片源自网络

 

3.碳纳米管（CNTs）

分类

单壁（SWNT）和多壁（MWNT）

制备方法

直流电弧法、催化热解法

特点

  • 嵌锂特性优越：管内、管间缝隙均可嵌入锂离子；

  • 化学稳定性好、机械强度高、弹性模量大；

  • 宏观体积密度小，电极稳定性好，循环性能优越；

  • 宏观导电、导热性能良好，避免欧姆极化；

  • 有利于提高电池充放电容量，改善动力学性能；

 

碳纳米管用于封闭式电池的集流体和电极

 

4.碳素材料的改性

表面处理

去除不规则结构，避免与锂的不可逆反应。

方法：表面氧化（使用硝酸、氧、臭氧、双氧水等氧化剂，可引入催化剂如镍、钴、铁等）和氟化（高温下用氟蒸汽或HF酸）。

掺杂元素

掺杂金属元素（如B、Si、P）或非金属元素。

方法：化学气相沉积法、在碳素材料前驱体中加入钒、镍、钴等进行热处理。

效果：有利于石墨化结构的生成、层间距的提高，增加可逆容量，改善循环性能。

复合碳素材料

形成核-壳结构，以高锂离子嵌入量的石墨类材料为核，以无定形碳素材料为壳。

方法：镀铜、包覆聚合物热解炭或锡的氧化物等。

效果：提高比容量、改善充放电电压平坦性、改善粒度分布和粒型结构、减少石墨膨胀与粉化、提高循环性能。

 

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