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編者按：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的純碳負(fù)極材料被應(yīng)用到鋰電池生產(chǎn)加工中，這使得鋰電池的使 用性能得到巨大的改善和突破。
 
在新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)之中，鋰電池發(fā)揮著重要的作用，但鋰電池的性能及容量與其負(fù)極材料的合成成分有很大的關(guān)系。以往在進(jìn)行鋰電池生產(chǎn)加工時(shí)，負(fù)極材料一直以 天然石墨為主要成分，這使得鋰電池的使用性能一直無法得到突破。而隨著近些年科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的純碳負(fù)極材料被應(yīng)用到鋰電池生產(chǎn)加工中，這使得鋰電池的使 用性能得到巨大的改善和突破。

1. 鋰電池及負(fù)極材料介紹

(1) 鋰電池

鋰電池是一種可二次充電的電池，由正極、負(fù)極、電解液、隔膜和集流體等五個(gè)主要部分組成。與其他電池相比，鋰電池具有密度大(120～260Wh/kg)、工作電壓高 3.6～3.7V)、自放電率低(年自放電低于10%)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鋰電池可隨時(shí)充電和放電，并且無記憶效應(yīng)，使用壽命也要 比普通電池時(shí)間長，可重復(fù)使用2000多次，并且在鋰電池之中還不含鎘、鉛、汞等重金屬污染成分，因此是一種綠色、無污染的新型能源。由于鋰電池具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)下鋰電池已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于電動(dòng)汽車、船舶、物流及國防軍工領(lǐng)域之中，同時(shí)由于其開發(fā)潛力巨大，在未來的很長時(shí)間內(nèi)，鋰電池仍然將是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

(2) 負(fù)極材料

在鋰電池的五個(gè)組成材料之中，負(fù)極材料是鋰電池制造加工中最為重要的材料。如從鋰電池材料成本的構(gòu)成比分析可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)鋰電池負(fù)極材料成本大約占整個(gè)電池成本的25%～28%，這就極大的凸顯出了鋰電池之中負(fù)極材料選擇的重要性。但是很顯然與鋰電池的正極材料開發(fā)研究相比，負(fù)極材料的研究方興未艾。

而這主要是因?yàn)樵阡囯姵刂圃旒庸ぶ?，?duì)負(fù)極材料的要求較高，至少要滿足七種條件，即化學(xué)電位較低、循環(huán)比容量高、庫倫效率高、電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率好、材料具有較強(qiáng)穩(wěn)定性、材料提取方便、安全綠色無污染。因此“碳材料”成為現(xiàn)下加工制造鋰電池的最佳負(fù)極材料選擇，而本文之中主要是研究“純碳”鋰電池負(fù)極材料。

2. 純碳負(fù)極材料提升鋰電池性能研究

(1) 人造石墨負(fù)極

“人造石墨”是純碳負(fù)極材料的一種，是通過碳材料提取加工而成，具體的提取方法就是，將易石墨化的軟炭材料在2500℃以上高溫下加熱，此時(shí)軟碳材料之中的二次粒子就 會(huì)重新排列，并形成大量孔隙結(jié)構(gòu)，從而成為我們所說的純碳負(fù)極材料。對(duì)于鋰電池而言，在制造加工過程中使用人造石墨負(fù)極材料，將更有利于電解液的滲透和鋰離子在負(fù)極中的脫嵌和穿梭。而這就可以使鋰電池的使用性能得到改善，如可以縮短鋰電池的充電時(shí)間，增加鋰電池的充電次數(shù)。此外人造石墨這種純碳負(fù)極材料，還具有長循環(huán)、耐高溫、高倍率等尋常碳材料不具備的優(yōu)勢(shì)，因此現(xiàn)下國內(nèi)外很多化工企業(yè)開始嘗試使用人造石墨負(fù)極材料進(jìn)行鋰電池生產(chǎn)加工。

(2) 中間相炭微球

“中間相炭微球”是一種微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為球形片層顆粒的純碳負(fù)極材料，與普通的碳材料相比，中間相炭微球這種純碳負(fù)極材料的電極壓實(shí)密度高，因此可以極大的提升鋰電池的充電、放電能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池使用性能的改善。而中間相炭微球這種負(fù)極材料主要是從煤焦油中獲得，具體的提煉方法就是煤焦油進(jìn)行2800℃以上高溫石墨化處理。但由于中間相炭微球負(fù)極材料制造成本較高，制造容量僅在320～350mAh/g之間，這限制了中間相炭微球這種純碳負(fù)極材料廣泛推廣應(yīng)用。但筆者相信隨著未來科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，中間相炭微球這種純碳負(fù)極材料的提煉成本一定會(huì)有 所降低，而將使鋰電池動(dòng)力能源得到更好的開發(fā)。

(3) 軟碳及硬碳

“軟碳”和“硬碳”也是現(xiàn)下鋰電池中正在開發(fā)使用的純碳負(fù)極材料，首先軟碳是在2500℃以上的高溫環(huán)境下，處理得到的一種無定形碳。此種純碳負(fù)極材料最大的優(yōu)勢(shì)就是可逆比容量高，通常情況下可以達(dá)到300mAh/g以上，同時(shí)與有機(jī)溶劑之間具有很好的相容性，為此使用軟碳負(fù)極材料進(jìn)行鋰電池生產(chǎn)加工，可更好的穩(wěn)定內(nèi)部的循環(huán)性能。但軟碳純碳負(fù)極材料也存在一種弊端，就是壓滯后性大，容量衰減較快，這是今后需要進(jìn)一步作出研究改善的。而硬碳純碳負(fù) 極材料主要是采用難石墨化的炭材料作為前驅(qū)體(如酚醛樹脂)，然后對(duì)其進(jìn)行900～1100℃的熱處理。

在鋰電池生產(chǎn)加工中，硬碳純碳負(fù)極材料的應(yīng)用有利于鋰電池容量的提高。但同樣此種純碳負(fù)極材料也存在一定的弊端，就是首次庫倫效率低，致使電壓滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，因此若是想要促使硬碳純碳負(fù)極材料得到更好的開發(fā)應(yīng)用，今后還需做出更加深入的研究。

(4) 碳納米管

“碳納米管”是一種較為特殊純碳負(fù)極材料，在鋰電池生產(chǎn)制造時(shí)，碳納米管可以與石墨類負(fù)極、硅基復(fù)合負(fù)極、鈦酸鋰、錫基等材料進(jìn)行復(fù)合，從而對(duì)原體系負(fù)極材料的電化學(xué)性能做出改善，此外碳納米管純碳負(fù)極材料還具有高導(dǎo)電性能和高導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，可對(duì)提高鋰電池的大倍率快速充放電性能很有幫助。雖然現(xiàn)下有研究顯示，碳納米管直接用作鋰電池時(shí)，容易出現(xiàn)首次充放電庫倫效率低或者電壓滯后嚴(yán)重等問題。但是隨著鋰電池的進(jìn)一步使用和充放電循 環(huán)，這些弊端問題就會(huì)逐漸改善，因此在未來鋰電池生產(chǎn)加工時(shí)，碳納米管純碳負(fù)極材料勢(shì)必會(huì)有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

(5) 鈦酸鋰

鈦酸鋰現(xiàn)下被認(rèn)為是一種比碳更安全，并且壽命更長的負(fù)極材料，在鋰電池生產(chǎn)制造時(shí)，使用鈦酸鋰作為負(fù)極材料，可以更好的改善鋰電池的充電、放電性能，因此近些年 鈦酸鋰負(fù)極材料的應(yīng)用開發(fā)也被越來越多的鋰電池業(yè)內(nèi)人士所看好。

具體而言，從微觀角度分析，鈦酸鋰具有獨(dú)特的尖晶石結(jié)構(gòu)，因此與其他負(fù)極材料相比，鈦酸鋰擁有三維鋰離子擴(kuò)散通道，因此通常在鋰電池電解液與碳負(fù)極表面上生長的固液層，鈦酸鋰負(fù)極鋰電池中卻不會(huì)形成。同時(shí)與普通的 碳負(fù)極材料相比，鈦酸鋰具有更高的脫嵌鋰平臺(tái)電位，這就可以為鋰電池的使用安全性提供更好的保障，從這一角度分析，鈦酸鋰在未來將有很多的開發(fā)價(jià)值。

總結(jié)

鋰電池作為一種新型動(dòng)力能源，現(xiàn)下被廣泛的應(yīng)用于電動(dòng)汽車、船舶及國防軍工領(lǐng)域中，相信在未來的很長一段時(shí)間中，鋰電池仍然將是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而純碳負(fù)極材料在鋰電池制造加工的應(yīng)用，使得鋰電池的使用性能得到進(jìn)一步的突破與改善，因此今后相關(guān)化工企業(yè)工作人員，能夠強(qiáng)化純碳負(fù)極材料提升鋰電池性能研究是存在一定必要的。

原標(biāo)題：純碳負(fù)極材料可以提升鋰電池性能？