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2020年石油焦用于锂电池负极材料的研究进展
- 发布时间：2021/7/20来源：深圳市邦凯电池股份有限公司
- 2020年石油焦用于锂电池负极材料的研究进展
锂离子电池是一种可循环使用的储能设备，也被称为锂离子二次电池，由正极、负极、隔膜和电解液体系组成。这种电池的特点是能量密度相比较其他一次电池而言能量密度高，没有记忆效应以及低的自放电。锂离子电池负极材料骨料主要分为人造石墨和天然石墨。其中人造石墨的原料是以油系和 煤系针状焦为主。
Sony公司商业化应用的锂离子电池负极材料正是石油焦炭材料。以针状石油焦为代表的优质石油焦具有低热膨胀系数、低空隙度、低硫、低灰分、低金属含量、高导电率及易石墨化等一系列优点，所以被视为优质的锂离子电池负极材料原料。
优质石油焦应用于锂离子电池负极材料，一般需要纯化、粉碎和粒径筛分、石墨化、表面修饰等过程。整个流程比较长，最终效果的影响因素比较多。最受关注的几个问题是：
（1） 炭材料结构随温度变化的机理；
（2） 负极材料性能与炭材料结构的关系；
（3） 有没有适合的炭材料满足动力锂离子电池负极材料的需求？
本论文将对这几个方面的研究进行综述，最后对适用于负极材料的石油焦炭材料的结构特点以及未来石油焦类负极材料的发展趋势进行讨论。
1 优质石油焦后处理温度对其性能的影响
优质石油焦的后热处理分为两个阶段： 煅烧和高温石墨化。煅烧指的是1500℃以下的煅烧过程，高温石墨化是指接近3000℃的高温处理过程。
延迟焦化工艺生产的优质石油焦经过回转炉煅烧，水分和挥发分显著减少，运输和储存都更方便。在石墨化过程中，石墨化温度是一个很关键的因素，影响优质石油焦石墨化程度。
刘春法等人通过循环性能、充放电特性和循环伏安曲线等方法分析，研究了煅烧温度对针状石油焦制锂离子电池负极材料电化学性能的影响。在700～ 1000℃的范围内，温度越高，炭化样品石墨层间距越小，样品的结构有序度增加，这个时期的焦炭可以被称为软碳。该温度下处理的样品，首次电容量高于石墨的理论电容量372 mAh／g。但是针状石油焦制锂离子电池负极材料难以获得稳定的充放电电位，循环性差。
该课题组进而将最高炭化温度扩展至2800℃，研究了热处理过程中石墨微晶结构的变化规律及其电化学性能。论文指出，当温度达到 2800℃，处理完的针状石油焦样品已经接近纯石墨。电池充放电实验结果表明，该样品稳定嵌锂容量可以达到300 mAh／g，而且具有稳定的充放电平台。不同的软碳结构，石墨微晶结构随温度变化程度不同。
牛鹏星等人，将针状石油焦和沥青焦2800℃石墨化之后，发现石墨化针状石油焦经反复充放电 40次后，其嵌锂容量能稳定在301mAh／g，而石墨化沥青焦却只有240mAh／g。这是因为针状石油焦的原料经过纯化，焦化过程中能够形成广域中间相，最终针状石油焦更容易石墨化，石墨化程度更高。
所以，石墨化温度对材料性能的影响和材料本身的结构也有关系。焦炭材料的电容量性能与处理温度和内部结构关系如所示，两图也可以解释上面的现象。
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