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    煤系焦用于鋰電池負極材料的性能研究

    文章出處:江蘇鳳谷節能科技有限公司 www.lepow-shop.com責任編輯:江蘇鳳谷節能科技有限公司 www.lepow-shop.com人氣:-發表時間:2017-12-16 08:05【

    鋰離子電池被譽為第三代“綠色電源”,在新能源領域中受到青睞,廣泛應用于手機、筆記本、數碼產品及動力汽車電源電池。人造石墨具有較高的比容量、循環性能、低溫充放電性能以及較高的性價比,因此成為主要的鋰離子電池負極材料。由于人造石墨負極材料的焦炭原料來源不同,其應用性能和范圍也不同。本文通過對煤系焦采用不同工藝和指標控制,制備出鋰離子電池石墨負極材料,研究對比其性能差異和優勢,以及對鋰離子電池的性能發揮的影響。

    1.實驗部分

    1.1測試儀器

    馬爾文2000激光粒度測試儀;KYKY-EM3900掃描電子顯微鏡;BT-1000粉體綜合特性測試儀;3H-2000BET-A智能型全自動氮吸附比表面儀;SIEMENS D5000衍射儀;美國SPEX 1402型拉曼光譜儀;藍電電子CT2001A型電池測試柜;新威CT-3008W-5V3A-S1型電池測試柜。

    1.2 原料預處理

    將優選煤系針狀焦和油系針狀焦,分別經機械粉碎、分級,粒度D50控制分別為11~13μm和18~20μm的粉體。

    1.3 焦炭制備負極材料實驗

    1.3.1材料的制備

    將兩種粒度的煤系針狀焦、瀝青焦和油系焦粉體分別加入5%比例的中溫瀝青進行表面包覆改性,改性溫度在300~600℃。取微量試樣,用掃描電子顯微鏡觀察其改性形貌特征。然后在特制石墨化爐中進行石墨化處理,熱處理溫度為3000℃,再經過分級、篩分等后續處理,分別得到以煤系針狀焦為原料制備的試樣MC10(D50:11~13μm),MC15(D50:18~

    20μm);以瀝青焦為原料制備的試樣LC10(D50:11~13μm),LC15(D50:11~13    μm);以石油焦為原料制備的試樣YC10(D50:11~13μm),YC15(D50:18~20μm)等6種試樣。

    1.3.2物理指標測試

    對1.3.1制備的MC10、MC15、LC10、LC15、YC10、YC15,6個試樣進行粒度、振實密度、比表面積、真密度和石墨化度檢測。

    1.3.3扣式電池測試

    將以上4個試樣分別按石墨:CMC:SBR:Super-P=95.0:1.5:2.0:1.5的比例制成漿料,涂在銅箔上,經烘干、壓實后制成負極片,組裝成LIR2430型扣式半電池,采用自制兩電極模擬電池測試模具,電池組裝在充滿氬氣的手套箱中進行。

    1.3.4全電池循環測試

    將以上4個試樣分別按石墨:CMC:SBR:Super-P=95.0:1.5:2.0:1.5的比例制成漿料,涂在銅箔上,經烘干、壓實后制成負極片;按照全電池的制作工步制作成軟包電池。

    2.結果與討論

    2.1粒度控制對煤系焦、瀝青焦和油系焦制備負極材料的加工性能影響

    圖1、圖2、圖3分別為經過改性后的煤系焦、瀝青焦和油系焦的掃描電鏡照片。如圖所示,改性后的煤系焦粉體顆粒棱角明顯,而改性后的瀝青焦和油系焦粉體顆粒均成球形,各向同性較好。

    表1為粒度、振實密度、比表面積、石墨化度、反彈率對比測試結果。經物理指標測試結果顯示,相同溫度下進行石墨化,煤系焦石墨化度低于油系焦,而高于瀝青焦,煤系焦比油系焦較難石墨化,比瀝青焦易于石墨化。同時,控制材料的粒度,影響其比表面積和振實密度及加工反彈性,其中,加工反彈測試結果顯示,煤系焦較油系焦的加工性能好,物理反彈和熱溫反彈均較低。而瀝青焦難于壓實,沒有進行反彈測試。

    1.結論

    通過對比實驗得到如下結論:

    (1)煤系焦改性后的形貌菱角較分明,成片狀結構,球形度相比瀝青焦和油系焦較差。在實際生產中應考慮材料的配向性對嵌鋰速率的影響,改善材料的形貌,以及降低比表面積,提高材料應用性能。在相同溫度條件下進行石墨化,煤系焦的石墨化度低于油系焦而高于瀝青焦,說明煤系焦較油系焦難于石墨化,石墨化溫度一般應控制在280~3100℃為宜,溫度過低會導致材料的壓實密度和容量低,溫度過高則會減少SP3雜化,對溶劑化鋰離子嵌入的阻擋力減弱,使得溶劑化鋰離子嵌入碳層形成不可逆容量甚至在內應力的作用下使碳層脫落,降低循環性能。

    (2)以煤系焦為原料制備的人造石墨,其扣電的首次放電容量和效率均較高,相當于油系焦的性能水平,并明顯優于瀝青焦的電性能,且物理反彈率和熱溫反彈率均較低,在加工性能和安全性能方面比較有優勢。在全電池循環測試過程中,其電極膨脹較小。MC10小粒徑規格材料可以考慮應用在長循環、高倍率的電池上;MC15大粒徑規格材料可考慮應用在高壓實、高容量類的高能量密度電池上。

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