石墨负极的绝地反击:中空碳微球高性能负极材料

锂粉制备技术

石墨负极材料是目前锂离子电池最常用的负极材料,在锂离子电池充电的过程中,可与Li+反应生成LiC6的化合物,其理论比容量为372mAh/g,目前容量最高的石墨负极材料实际比容量为360mAh/g,已经接近理论容量,而大多数石墨负极材料容量多为300mAh/g。

随着锂离子电池比能量的逐步提高,传统的石墨负极材料,如天然石墨、人造石墨,已经无法满足高比能锂离子电池的需要,因此众多高容量负极材料被陆续开发出来,当然石墨材料也没有坐以待毙,多种改性技术被开发出来,其中最有效,也是最吸引关注的当属“氮掺杂石墨技术”和“介孔碳技术”,这两种改性方法在大幅提高石墨材料比容量的基础上,并未降低材料的循环性能,因此具有良好的应用前景。

近日北京理工大学的Xinyang Yue等人基于介孔碳技术开发了一种微孔-介孔中空碳微球锂离子电池负极材料,该材料的比表面积高达396m2/g,该材料不仅具有高容量特性,并且具有良好的循环性能,在2.5A/g的电流密度下,循环1000次仍然保持530mAh/g的比容量。该材料的倍率性能也十分让人震惊,在60A/g的电流密度下(约为100C),该材料比容量仍然可达180mAh/g。

石墨负极的绝地反击:中空碳微球高性能负极材料

研究中Xinyang Yue利用370nm硅微球作为模板,多巴胺作为碳源,PEO-PPO-PEO (P123)作为孔形成介质,在400℃下Ar保护焙烧3h,然后800℃下焙烧3h,最后利用20%的HF在中空碳微球的表面腐蚀出微孔,并除去材料中的硅模板。最后经过清洗和真空干燥后,就获得了微孔-介孔中空碳微球材料。

在SEM照片中该材料为直径约为400nm均匀分散的微球,表面呈现出由于HF腐蚀所形成的微孔,TEM显微镜,则观察到了该材料的中空结构。电化学测试发现,该材料在0.5A/g的电流密度下,可以获得624mAh/g的电流密度,这要远高于石墨材料372mAh/g的理论比容量,额外的容量主要是由材料的缺陷产生的。但是该材料的不可逆容量较高,达到了1081mAh/g,这主要是由于材料巨大的比表面使得在形成SEI膜的过程中电解液分解较多,消耗较多Li造成的。

石墨负极的绝地反击:中空碳微球高性能负极材料

虽然该材料的首次不可逆容量较高,但是该材料具有良好的循环性能。该材料的首次放电容量为646mAh/g,循环50次容量下降到502mAh/g,但是随后比容量开始回升,循环400次容量为563mAh/g,循环1000次容量仍可达500mAh/g以上。

该材料表现最为亮眼的是倍率性能,在1 A/ g,2.5 A /g,5 A /g,10 A/ g,20 A /g,40 A/ g和60 A /g的电流密度下,该材料的比容量分别达到了495 mAh/g, 382 mAh/g,301.3 mAh/g,254.4 mAh/g,206.5 mAh/g,190.7 mAh/g和189.3 mAh/g,表现出了良好的倍率性能,非常适合应用在高功率锂离子电池上。

目前该材料最大的问题是制备成本过高,振实密度偏低,难以商业化应用,而材料的首次不可逆容量过高的问题,可以通过负极补锂等技术进行解决。目前该方法还仅仅停留在实验室水平,还需要进一步研究,降低成本,提高材料的性能。

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