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锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点
发布时间:2020-11-23 20:40    文章作者:易发游戏网站

  锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点_材料科学_工程科技_专业资料。锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点 一、石墨定义: 1、石墨是元素碳的一种同素异形体,每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子(排列方 式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合,构成共价分子。 2、由于每个碳

  锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点 一、石墨定义: 1、石墨是元素碳的一种同素异形体,每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子(排列方 式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合,构成共价分子。 2、由于每个碳原子均会放出一个电子,那些电子能够自由移动,因此石墨属于导电体。 石墨是其中一种最软的矿物,它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。 二、石墨的特殊性质: 1、导电性:石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。石墨能够导电是因为石墨中每个碳 原子与其他碳原子只形成 3 个共价键,每个碳原子仍然保留 1 个自由电子来传输电荷。 2、导热性:导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低,甚至在极 高的温度下,石墨成绝热体。 3、耐高温性:石墨的熔点为 3850±50℃,沸点为 4250℃,即使经超高温电弧灼烧,重 量的损失很小,热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强,在 2000℃时,石墨强 度提高一倍。 4、润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性 能越好。由于其润滑性,在超细研磨里难度很高,使用叁星飞荣立式砂磨机可以研磨到 纳米级别细度。 5、化学稳定性:石墨在常温下有良好的化学稳定性,能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。 6、可塑性:石墨的韧性好,可碾成很薄的薄片。 7、抗热震性:石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏,温度突变时, 石墨的体积变化不大,不会产生裂纹。 三、石墨的中国产地: 1、我国以黑龙江鸡西市恒山区密山市柳毛乡为最大的产地。以及黑龙江省的七台河市、 鹤岗市和双鸭山市等。 2、山东省莱西市为我国石墨重要产地之一。 3、吉林省磐石市也是石墨产地之一。 4、内蒙古乌拉特中旗高勒图矿区发现全国最大晶质石墨单体矿。 5、陕西省煤田地质局一九四队在陕西洋县发现 3 条石墨矿带。 四、石墨世界著名产地: 1、纽约 Ticonderoga。 2、马达加斯加。 3、斯里兰卡(Ceylon)。 五、石墨分类: 1、天然石墨:石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物,具 有不同的工业价值和用途。 2、人造石墨:广义上,一切通过有机炭化再经过石墨化高温处理得到的石墨材料均可称 为人造石墨,如炭纤维、热解炭、泡沫石墨等。而狭义上的人造石墨通常指以杂质含量 较低的炭质原料为骨料、煤沥青等为粘结剂,经过配料、混捏、成型、炭化和石墨化等 工序制得的块状固体材料,如石墨电极、等静压石墨等。 人造石墨就成型方式通常可分为:振动成型,挤压成型,模压成型,等静压成型。 3、块状石墨:块状石墨又叫致密结晶状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直 径大于 0.1 毫米,比表面积范围集中在 0.1-1m2/g,晶体排列杂乱无章,呈致密块状构 造。这种:石墨的特点是品位很高,一般含碳量为 60~65%,有时达 80~98%,但其可塑 性和滑腻性不如鳞片石墨好。 4、鳞片石墨:石墨晶体呈鳞片状;这是在高强度的压力下变质而成的,有大鳞片和细鳞 片之分。此类石墨矿石的特点是品位不高,一般在 2~3%,或 10~25%之间。是自然界中 可浮性最好的矿石之一,经过多磨多选可得高品位石墨精矿。这类石墨的可浮性、润滑 性、可塑性均比其他类型石墨优越;因此它的工业价值最大。 5、隐晶质石墨:隐晶质石墨又称微晶石墨或土状石墨,这种石墨的晶体直径一般小于 1 微米,比表面积范围集中在 1-5m2/g,是微晶石墨的集合体,只有在电子显微镜下才能见 到晶形。此类石墨的特点是表面呈土状,缺乏光泽,润滑性比鳞片石墨稍差。品位较高。 一般的 60~85%。少数高达 90%以上。一般应用于铸造行业比较多。主要蕴藏在湖南郴州 鲁塘。随着石墨提纯技术的提高。土状石墨应用越来越广泛。 六、石墨特种成型方式: 石墨在工业上运用极广,几乎每个行业都会用到。工业上多用的是人造石墨,也就是特 种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。 1、等静压石墨。也就是很多人叫的三高石墨,但是并不是三高就是等静压。 2、模压石墨。 3、挤压石墨,多为电极材料。 其中按石墨的颗粒度分,也可分为: 1、细节构石墨。 2、中粗石墨(一般的颗粒度在 0.8mm 左右)。 3、电极石墨(2-4mm)。 七、石墨晶体结构: 1、金属晶体:在石墨晶体中,同层的碳原子以 sp2 杂化形成共价键,每一个碳原子以三 个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环,伸 展成片层结构,这里 C-C 键的键长皆为 142pm,这正好属于原子晶体的键长范围,因此对 于同一层来说,它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个 p 轨道,它们相互重 叠。电子比较自由,相当于金属中的自由电子,所以石墨能导热和导电,这正是金属晶 体特征。因此也归类于金属晶体。 2、混合晶体:石墨晶体中层与层之间相隔 340pm,距离较大,是以范德华力结合起来的, 即层与层之间属于分子晶体。但是,由于同一平面层上的碳原子间结合很强,极难破坏, 所以石墨的熔点也很高,化学性质也稳定。 鉴于它的特殊的成键方式,不能单一的认为是原子晶体或者是分子晶体,按现代的表述 方式,认为石墨是一种混合晶体。 八、石墨的应用: 1、作耐火材料:石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质,在冶金工业中主要用来制造 石墨坩埚,在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂,冶金炉的内衬。 2、作导电材料:在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极, 石墨垫圈、电话零件,电视机显像管的涂层等。 3、作耐磨润滑材料:石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、 高压的条件下使用,而石墨耐磨材料可以在 200~2000 ℃温度中在很高的滑动速度下,不 用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备,广泛采用石墨材料制成活塞杯,密封圈和轴 承,它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好的润 滑剂。 4、石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨,具有耐腐蚀、导热性好,渗透率 低等特点,就大量用于制作热交换器,反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加 热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸 等工业部门,可节省大量的金属材料。 5、不透性石墨的品种因所含树脂不同,耐蚀性也有差异。如酚醛树脂浸渍者耐酸,但不 耐碱;糠醇树脂浸渍者既耐酸,又耐碱。不同品种的耐热性也有差异:碳和石墨在还原 性气氛中可耐 2000~3000℃,在氧化气氛中分别在 350℃和 400℃开始氧化;不透性石墨 品种随浸渍剂而异,一般由酚醛或糠醇浸渍者耐热在 180℃以下。 6、作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料:由于石墨的热膨胀系数小,而且能耐急冷急热 的变化,可作为玻璃器的铸模,使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确,表面光洁成品 率高,不经加工或稍作加工就可使用,因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金 工艺,通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生长坩埚,区域精炼容 器,支架夹具,感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的 石墨隔热板和底座,高温电阻炉炉管,棒、板、格棚等元件。 7、用于原子能工业和国防工业:石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中,铀一石 墨反应堆是应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当 具有高熔点,稳定,耐腐蚀的性能,石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的 石墨纯度要求很高,杂质含量不应超过几十个 PPM 。特别是其中硼含量应少于 0.5PPM 。 在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴,导弹的鼻锥,宇宙航行设备的零件, 隔热材料和防射线、石墨还能防止锅炉结垢,有关单位试验表明,在水中加入一定量的石墨粉(每吨水大 约用 4~5 克)能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防 腐防锈。 9、石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。石墨经过特殊加工以后,可以制作各种特殊材料用 于有关工业部门。 10、电极:20 世纪 60 年代,铜做为电极材料被广泛应用,使用率约占 90%,石墨仅有 10% 左右;21 世纪,越来越多的用户开始选择石墨作为电极材料,在欧洲,超过 90%以上的 电极材料是石墨。石墨超细研磨均需使用叁星飞荣立式砂磨机,才能有效研磨到纳米级 别,应用到电池里面去,发挥石墨的巨大作用。 九、石墨新用途: 1、柔性石墨又称膨胀石墨。1971 年美国研究成功柔性石墨密封材料,解决了原子能阀门 泄漏问题,随后德、日、法也开始研制生产。这种产品除具有天然石墨所具有的特性外, 还具有特殊的柔性和弹性。是一种理想的密封材料。广泛用于石油化工、原子能等工业 领域。国际市场需求量逐年增长。 2、轻工业应用:此外,石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,是制造铅笔、 墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好的节能环保材料, 美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的发展,石墨的应用领域还在不断 拓宽,已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料,在国民经济中具有重要的作用。 十、石墨应用在电池负极材料的优点: 1、首先石墨来源丰富。 2、经过改性后振实密度高。 3、电化学性能稳定。 4、比容量可以做到跟理论容量比较接近。 十一、石墨应用在电池负极材料的缺点: 1、克容量不足,不太能满足动力电池的需求 2、如果纯度不够,副反应较多。 3、层状结构稳定性有待提高。 4、倍率性能不好。 5、充放电平台过低。


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