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解析国内锂电负极材料关键性技术指标要求
发布时间:2020-10-15 来源:中国粉体网     分享到:

   为了促进锂电行业的健康发展,我国从2009年开始就陆续颁布了相关标准,锂离子电池负极材料的相关标准也在持续制定发布中。截至目前,我国已颁布的锂离子电池负极材料相关标准有7项,我国正在制定或修订的锂离子电池负极材料相关标准有软炭、硅炭2项。

我国已颁布的锂离子电池负极材料相关标准

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一般而言,负极材料的关键性技术指标有:晶体结构、粒度分布、振实密度、比表面积、pH、水含量、主元素含量、杂质元素含量、首次放电比容量和首次充放电效率等。相关标准的制定不仅可以规范锂离子电池负极材料的各项指标参数,也可用于指导其实际生产和应用。


1.负极材料的晶体结构


不同的晶体结构及化学组成会造成粉体的物理化学特性千差万别,进而影响到粉体的应用。下面以目前常用的石墨类负极材料及Li4Ti5O12为例说明。


石墨和Li4Ti5O12的晶体结构参数


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常用的负极材料石墨有两种晶体结构,一种是六方相,一种是菱方相。晶体结构的有序程度和发生石墨化的难易程度相关。石墨化度越大,碳材料越容易石墨化,同时晶体结构的有序程度也越高。其石墨化程度越高,相应晶格缺陷越少,电子的迁移阻力越小,电池的动力学性能会得到提升。


此外,Li4Ti5O12为立方尖晶石结构,属于Fd-3m空间群,具有三维锂离子迁移通道,与其嵌锂产物(Li7Ti5O12)的结构相比,晶胞参数差异不大(0.836nm→0.837nm),被称为“零应变材料”,因而具有非常优异的循环稳定性,允许高倍率充放电,在动力电池和大规模储能中也有一定的应用。


商业上广泛使用的锂离子电池负极材料的结构

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2.负极材料的粒度分布


负极材料的粒度分布会直接影响电池的制浆工艺以及体积能量密度。在相同的体积填充份数情况下,材料的粒径越大,粒度分布越宽,浆料的黏度就越小,这有利于提高固含量,减小涂布难度。另外,材料的粒度分布较宽时,体系中的小颗粒能够填充在大颗粒的空隙中,有助于增加极片的压实密度,提高电池的体积能量密度。

负极材料标准中的粒度要求

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3.负极材料的密度


密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。粉体材料一般都是有孔的,在计算材料密度时,根据是否将这些孔体积计入,可分为真密度、有效密度和表观密度,而表观密度又分为压实密度和振实密度。在实际应用中,生产厂家更为关心的是材料的表观密度。


对于负极材料,密度会直接影响到电池的体积能量密度。对于同一种材料,其压实密度越大,体积能量密度也越高,因此标准中对各项密度的下限值均做出了要求。


负极材料标准中的密度要求

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4.负极材料的比表面积


比表面积是每克固体材料所具有的表面积。负极材料的比表面积对电池的动力学性能和固体电解质膜(SEI)的形成有很大影响。如石墨的比表面积太大,造成首次容量损失过多,而且加的粘结剂会比较多,造成内阻增加。石墨的比表面积与石墨颗粒的形状、表面结构等有关,比如人造石墨具有特殊的微孔结构,比表面积大,含有的活性部位增多,反应面积增大,提高活性材料的利用率,表现出高容量和高倍率性能,但是在首次充放电过程中因形成SEI膜所消耗的电解液就相对也较多,因此造成不可逆容量比例大。可以说石墨颗粒的比表面积过大或过小都不利于锂离子的可逆脱嵌,只有合适的比表面积才能限度地可逆脱嵌锂离子。

负极材料标准中的比表面积要求

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5.负极材料对pH和水分的要求


负极材料的pH和水分对材料的稳定性和制浆工艺有重要影响。粉体材料中含有的微量水分可由卡尔·费休库仑滴定仪测定。对于pH值。可以将试样与蒸馏水相混合后用pH计测定。


负极材料标准中的pH和水分要求


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6.负极材料的元素含量


石墨主要由固定碳、灰分和挥发分三部分组成,固定碳是真正起电化学活性的组分,标准中对固定碳的含量有着严格要求,至少大于99.5%。此外,除了固定碳、锂主要元素,负极材料在进行包覆、掺杂等改性过程中会引入一些杂质元素,它们也会严重影响电池的电化学性能,需要严格控制。另外,部分负极原料中含有镉、铅、汞、六价铬及其化合物等限用元素,它们对动物、植物和环境有害,因此在标准中对此类物质有严格的限制。


负极材料标准中对相关元素含量的要求



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7.负极材料的首次可逆比容量和首次效率


负极材料的首次可逆比容量指的是首周脱锂容量,而首次效率指的是首周脱锂容量与嵌锂容量的比值,它们可以在很大程度上反映电极材料的电化学性能。而且电池的首周可逆比容量可以在一定程度上反映材料在后续循环中的稳定容量,也具有重要的实际意义。


负极材料标准中对首次可逆比容量和首次效率的要求


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参考资料:

周军华等.锂离子电池负极材料标准解读

陈亮等.锂离子电池材料标准发展现状研究

全国标准信息公共服务平台




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