鉅大LARGE | 點擊量：946次 | 2022年07月18日
高比能長壽命鋰電池的石墨負極選擇策略
雖然高容量的Si負極材料的應(yīng)用逐漸普及，但石墨負極憑借著優(yōu)異的電化學(xué)性能仍然是目前主流的鋰電池負極材料。在充電過程中Li+從正極脫出經(jīng)過電解液擴散到負極表面嵌入到石墨負極內(nèi)部，放電的過程則正好相反，石墨材料的嵌鋰電位和金屬Li接近，這一方面能夠有效的提高鋰電池的電壓，從而提高能量密度，但是另一方面也導(dǎo)致目前常規(guī)的碳酸酯類電解液會在石墨負極表面發(fā)生還原分解，從而導(dǎo)致活性Li的消耗，眾多的研究表明電解液在負極表面的分解是造成鋰電池容量衰降的重要原因，因此石墨負極材料的選擇有關(guān)提升鋰電池的壽命特性具有重要的意義。
（來源：微信公眾號"新能源Leader"作者：憑欄眺）
近日，美國橡樹嶺國家實驗室的ChengyuMao（第一作者）和ZhijiaDu（通訊作者）等人分析了6款主流的人造和天然石墨材料有關(guān)NCM811電池的循環(huán)性能的影響，分析表明比表面積更小的材料能夠得到更高的首次庫倫效率，并且在長期循環(huán)中也表現(xiàn)更好。
實驗中ChengyuMao以來自加拿大Targray公司的NCM811材料為正極，六款石墨負極分別是來自ConcoPhillips公司的A12、GrafTech公司的APS19、昭和電工的SCMG-BH、日立化成的MAGE和MAGE3和Superior公司的SLC1520T（六種材料信息如下表所示）。
下圖為幾種石墨材料的形貌，從圖中能夠看到SCMG-BH、MAGE和MAGE3材料基本上呈現(xiàn)為"土豆"形，A12和APS19則呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)，SLC1520T材料更接近球形結(jié)構(gòu)，表面比較光滑，因此SLC1520T也獲得了最小的比表面積（如上表所示）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨晶體尺寸可以通過顆粒的截面圖獲得，從下圖能夠看到SCMG-BH材料的石墨晶體尺寸顆粒最小，由于電解液更容易在石墨晶體片的邊緣分解，因此晶體顆粒更小的SCMG-BH材料會導(dǎo)致更多的電解液分解，從而引起電池的庫倫效率偏低，并影響鋰電池的循環(huán)壽命。
下圖為6種負極材料在扣式電池中以C/3倍率放電的可逆容量，從圖中能夠看到大多數(shù)石墨的可逆容量都能夠達到350mAh/g以上，僅昭和電工的SCMG-BH材料的可逆容量為322mAh/g。
石墨負極在首次嵌鋰過程中隨著電勢的降低，電解液會在石墨負極表面發(fā)生分解，因此石墨的比表面積會對電池的首次充放電庫倫效率出現(xiàn)顯著的影響，下圖為NCM811材料和不同的石墨負極組成的全電池（軟包）的化成過程充放電曲線，NCM811材料在首次充放電中的容量發(fā)揮如下表所示，其中比表面積較小的日立化成的MAGE材料的首次效率最高，達到了86.1%，其次是SLC1520T，而首次庫倫效率最低的為MAGE3材料，僅為82.2%，這也和其高達4.97m2/g的大比表面積有關(guān)。
下圖為采用幾種不同石墨負極的電池的循環(huán)曲線（3.0-4.2V，C/3充電C/3放電），為了加速電池的衰降，作者在每次充電中還新增了一個3小時的恒壓過程，從圖中能夠看到3個小時的恒壓過程的加入使得鋰電池的衰降速度大大加速，在經(jīng)過300次循環(huán)后僅有MAGE和SLC1520T材料的電池容量保持率超過80%，MAGE3和SCMG-BH材料的電池循環(huán)性能最差，最先達到壽命終止。而采用不同負極的電池也表現(xiàn)出了不同的衰降特性，例如采用A12和APS19材料的電池在循環(huán)200次以后，衰降速度開始加速，而MAGE3和SCMG-BH材料則在初期展現(xiàn)了更快的衰降速度，同時從下表我們還能夠注意到采用MAGE3和SCMG-BH電池的初始容量也要比其他材料的電池更低，這也重要是因為這兩款材料相對較低的化成庫倫效率導(dǎo)致的。
為了分析幾種不同負極的鋰電池在循環(huán)中的衰降機理，作者將循環(huán)后的電池進行了解剖，采用正負極分別制作了扣式電池，從下圖c能夠看到循環(huán)后的正極不但容量出現(xiàn)了顯著的降低，倍率性能也都出現(xiàn)了明顯的下降，而反觀負極（下圖d）再經(jīng)過循環(huán)后可逆容量僅發(fā)生了輕微的降低（少于3%），但是倍率性能有所下降，循環(huán)后的SCMG-BH、A12和MAGE3材料在高倍率下容量相對較低。
為了分析引起正負極材料老化后倍率性能下降的原因，作者還采用交流阻抗的方法對扣式電池進行了分析，下圖為和不同負極材料匹配的NCM811材料扣式電池的交流阻抗圖，從圖中我們能夠注意到循環(huán)后的NCM811材料除了在高頻區(qū)的一個半圓，還在中頻區(qū)出現(xiàn)了一個新的半圓，這可能是循環(huán)后的NCM811材料出現(xiàn)了相對較慢的電荷交換過程，例如可能在NCM811顆粒表面出現(xiàn)了新的相，從而導(dǎo)致電荷交換阻抗新增。
下圖為化成后的負極和循環(huán)后的負極制作的扣式半電池的交流阻抗圖譜，相比于正極，負極的阻抗比較小，表明循環(huán)后的全電池內(nèi)阻新增更多的是因為正極阻抗的新增。并且不同的負極循環(huán)后的交流阻抗變化也不相同，A12、SCMG-BH和MAGE3材料循環(huán)后阻抗幾乎翻倍，這重要是和其較大的比較面積導(dǎo)致電解液更多的分解有關(guān)，這也導(dǎo)致了大量的活性Li消耗，從而導(dǎo)致這幾種材料的全電池的循環(huán)性能較差，而循環(huán)性能較好的MAGE和SLC1520T材料在循環(huán)后阻抗新增也相比較較少，這重要得益于這兩種材料較小比表面減少了電解液的分解。
下圖為幾種負極材料的比表面積、首次效率和負極顆粒尺寸和全電池的容量保持率之間的關(guān)系，從圖中能夠看到比表面積最小的MAGE和SLC1520T材料不但首次庫倫效率最高，在長期循環(huán)中也表現(xiàn)出了最高的容量保持率，而比表面積較大的MAGE3和APS19材料則表現(xiàn)出了較低的首次庫倫效率和較差的循環(huán)性能。
總的來看石墨負極的比表面有關(guān)其庫倫效率和長期循環(huán)的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的影響，比表面更小的材料能夠減少電解液的分解，從而提升電池的首次庫倫效率和長期循環(huán)的穩(wěn)定性，因此有關(guān)對壽命特性要求較高的鋰電池應(yīng)該選擇比表面積較小的石墨材料。
原標(biāo)題:高比能長壽命鋰電池的石墨負極選擇策略
