粘結(jié)劑和乙炔黑含量對石墨電極鋰離子電池性能影響_圖文

1、第屆中國納米科技兩安研討會(huì)論文集粘結(jié)劑和乙炔黑含量對石墨電極鋰離子電池性能影晌趙廷凱，王振旭，柳永寧。朱長純，趙翔，朱杰武（兩安變運(yùn)大學(xué)西安）摘要：本文通過優(yōu)化牯結(jié)荊和乙炔黑在鋰離子電池電橫中的含量，使天然石墨作為鋰離予電池負(fù)極材料的可逆容量和循環(huán)壽命達(dá)到最優(yōu)利用自行設(shè)計(jì)的小型雙電搓模擬電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行電化學(xué)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。當(dāng)粘結(jié)劑的含量為國炔黑的含量為時(shí)，以石墨為負(fù)極材料的錁離子電池可逆容量達(dá)到，次循環(huán)容量保持在左右關(guān)鍵詞：鏗離子電池：牯結(jié)劑；乙炔黑；可逆容量嵌鏗性能中圈分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：引言目前，商用鋰離子電池負(fù)極材料以石墨化碳材料為主，石墨具有較高的比容量。較低的嵌鋰電位，良好的電位平臺(tái)

2、和循環(huán)性能它能夠很好地滿足負(fù)極材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)是理想的鋰離子電池負(fù)極材孝喜卅。石墨主要包括天然彳墨、人造石墨及各種石墨化炭，如；墨化碳纖維和石墨化中間炭微球。與其他嵌鋰材料相比，碳材料具有較低的電極電位（）。良好的充放電電位平臺(tái)，循環(huán)壽命長，安全性能好，廉價(jià)無毒等優(yōu)點(diǎn)【】研究較多的有“墨、石墨化中間相碳微球（）、石油焦、聚合物熱解炭等【，。在鋰離子電池碳負(fù)極材料中，天然石墨導(dǎo)電性好，結(jié)晶度高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)更適合鋰離子的嵌入和脫出石墨的可逆充放電容量可達(dá)到以上，接近的理論容量此外。鋰在石墨中的脫，嵌反應(yīng)和囂，嵌容量主要發(fā)生在之褐。具有良好的充放電電壓平臺(tái)。電池的放電電壓平穩(wěn)。并且天然石墨的來

3、源。泛。價(jià)格低廉，因此成為眾多研究者關(guān)注和研發(fā)的熱點(diǎn)。在石墨電極中，粘結(jié)劑在其中起粘連作用，是不可缺少的組分：乙炔黑可以增加石墨活性物質(zhì)的導(dǎo)電性能，它們對石墨的嵌鋰性能也有重要的影響，但這方面的報(bào)道細(xì)節(jié)相對較少。本文通過改變粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的含量對天然石墨的電化學(xué)性能進(jìn)行測試優(yōu)化墨電極中粘結(jié)荊和乙炔黑比例含量。使得鏗離子電池的可逆容量和循環(huán)性能達(dá)到是優(yōu)實(shí)驗(yàn)方法電極的制各本實(shí)驗(yàn)采用了銅箔作為集電極（厚度），將集電極材料加：為直徑約為，的茵片，在真空干澡箱中干燥磊稱質(zhì)量，記為其次。將話性物質(zhì)（）導(dǎo)電荊（乙炔黑）溶了二粘結(jié)劑（偏聚二氟乙烯）的（甲基毗咯炕酮）的溶劑中（：的質(zhì)量比為：）：調(diào)節(jié)漿料到合適的

4、枯度最后涂片秤量將粘度適中的電極漿液均勻的涂至稱量完畢的集電極箔片上，干燥箱中干燥，在電子天平上稱量電極片，記質(zhì)量，則電極材料質(zhì)量；。在裝配模擬電池前先將電極片再置于真空干緣箱中干燥升將極片在壓片機(jī)上【下壓片。電池的組裝暮百罪下氰飄）舌弭飄）本實(shí)驗(yàn)使用的是烈電極模擬電池結(jié)構(gòu)，即聚四氟乙烯圓柱體模擬電池。雙電極模擬電池作者簡舟。趙廷凱（男博士后研究方向?yàn)樘技{米材料及能源材料，第六屑中國納米科技兩安研討會(huì)論文集能方便簡單的測試電極材料的比容量和循環(huán)性能在手套箱中進(jìn)行電池的組裝，雙電極模擬電池按照負(fù)極極片隔膜紙。金屬鋰片，不銹鋼鋼體，彈簧片自下而上依次放好。并注入電解液，封口，組裝成測試用電池。電化

5、學(xué)性能測試恒電流充放電測試根據(jù)活性材料的重量和面積（電化學(xué)測試參數(shù)為電流密度，或者）恒定充放電條件準(zhǔn)確得到材料的充放比電容量和循環(huán)效率實(shí)驗(yàn)中模擬電池跟實(shí)際電池由于存在結(jié)構(gòu)性能差異。經(jīng)過恒電流充放電循環(huán)由于極化、結(jié)構(gòu)、接觸等原因電池性能將下降較快其放電容量容易衰減。因此模擬電池循環(huán)次數(shù)控制在次以上以保證試驗(yàn)結(jié)果的精確。裝配好的電池采用測試儀測試電化學(xué)充放電性能。放電截止電壓為。充電截止電壓為。結(jié)果與討論粘結(jié)劑對石墨嵌鋰性能的影響首先固定乙缺黑的含量！其它條件不變，主要研究粘結(jié)劑含量變化對鋰離子電池電極性能的影響。粘結(jié)劑的含量分別為、。其結(jié)果見卜圖。圖負(fù)極極片照片（）一（）圖是不同粘結(jié)劑含量下電極

6、的照片比較。圈（）中可以看山石墨顆粒之間的白色物質(zhì)為轱結(jié)劑。隨著粘結(jié)劑含量的增加，石墨顆粒之間的白色物質(zhì)有明顯的增加。粘結(jié)劑含量達(dá)到，石墨表面已經(jīng)附著人餐的白色枯結(jié)劑。從圖（）的午墨電極表面照片可以明顯的看出。圖（）粘結(jié)荊的干墨電極，石墨表面附著少量的絮狀粘結(jié)劑，而圖（）秸結(jié)劑的石墨電極，大量的絮狀枯結(jié)劑幾乎全部覆蓋石墨表面。電化學(xué)性能比較圖是不同含量粘結(jié)荊條件。電極的可逆容麓與不可逆容量比較。圖中電位降低的曲線為彳墨的充電（嵌鋰）曲線，電位升高的曲線為放電（脫鋰）曲線。 圖不同牯結(jié)荊音量對鋰離子電池可逆與不可逆容量影響第六屆中國納米科技西安研討會(huì)論文集由圖可以看出，不同的粘結(jié)劑含量對電池的充

7、放電容量有較大的影響。粘結(jié)劑含量逐漸增加時(shí)，放電容量變化不大，但首次可逆容量逐漸增加，同時(shí)不可逆容量開始減少。嵌鋰和脫鋰過程，石墨活性物質(zhì)由于層間嵌入和脫出鋰離子，層間距發(fā)生變化。從而引起體積變化：而當(dāng)粘結(jié)劑含量增加時(shí)。對活性物質(zhì)的粘結(jié)強(qiáng)度增加，使極片石墨活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，體積變化在彈性變化的范圍內(nèi)。粘結(jié)劑的含量過少使活性物質(zhì)不能完全的粘結(jié)，在充放電的過程中，石墨層的間距變化起的體積變化對膜的生成和穩(wěn)定有破壞作用，消耗的不可逆容量增加。圖是不同含量粘結(jié)劑石墨電極的首次充放電曲線。為便于區(qū)分，不同粘結(jié)劑含量的極片的充放電曲線按照含量的增加，充放電電位分別上移。 。幽不禽量粘結(jié)劑石墨電極的首次充放

8、電曲線從圖中可以看出，隨著粘結(jié)劑含量的繼續(xù)增加，電池的首次放電容量減少，可逆容量也開始下降。這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑的含量超過了一定的界限，盡管可以使活性物質(zhì)得到很好的粘結(jié)，極片的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，但卻包覆了許多的活性物質(zhì)，使其無法嵌鋰可以看出。當(dāng)粘結(jié)劑含鼙在的時(shí)候，石墨電極的放電（可逆）容量達(dá)到展高的，粘結(jié)劑含簧為的電池放電容鼙最少。為。從圖也可以看出粘結(jié)劑會(huì)在石墨表面大量的附著如果含簧過高，就會(huì)包覆許多活性物質(zhì)顆粒。因此活性物質(zhì)屬丁非可嵌鋰材料大量附著在表面也會(huì)對膜的形成造成影響，影響其嵌鋰和脫鋰的進(jìn)程。圖為粘結(jié)劑含量為的石墨電極表面形成鈍化膜的照片從圖（）可以看出。石墨表面有明顯的包覆物。圖）可以看出

9、，石墨表面幾乎完全被包覆，石墨組織基本無法辨認(rèn)，說明鈍化膜的形成組織穩(wěn)定。圖石墨電極極片表面鈍化膜的照片循環(huán)性能的變化表為不同含量粘結(jié)劑石墨電極前十次循環(huán)的可逆容量的比較?？梢钥闯觯辰Y(jié)劑含量超過的石墨電極次循環(huán)后的效率比較高具有比較根好的循環(huán)性能而粘結(jié)劑含量越低，循環(huán)效率越差，可逆容量衰減的越塊。第六屆中國納米科技西安研討會(huì)論文集表轱結(jié)劑變化對循環(huán)性能的影響粘結(jié)劑含量首次可逆容量次循環(huán)后可逆容量次循環(huán)后可逆容量叢！翌壘?。?！生壘?。荷鷫荆撼紙D和圖是牯結(jié)劑含量分別為和的石墨電極的充放電循環(huán)性能曲線，從中可咀明顯看出，粘結(jié)荊含量為的石墨電極充放電曲線的重疊性比較好，有良好的循環(huán)性能。對丁石墨材料

10、來說。循環(huán)性能主要是由晶體的結(jié)構(gòu)決定。一般認(rèn)為，石墨的雜質(zhì)含量越低，石墨化程度越高，循環(huán)性能越好。本試驗(yàn)所塒的彳墨樣品為同一樣品，因此排除了晶體結(jié)構(gòu)對循環(huán)性能差異的影響，主要是枯結(jié)劑含量的不同，產(chǎn)生了石墨電極的循環(huán)性能的差異。粘結(jié)劑含量過少，對石墨活性物質(zhì)的粘連度不夠，電極表面形成的膜，容易在石墨睽鋰和脫鋰過程的體積微變形中，產(chǎn)生破裂連續(xù)的充放電需要連續(xù)的補(bǔ)充膜的修復(fù)，因此就造成了可逆容量的減少，造成電池的容量衰減。根據(jù)性能測試的結(jié)果，粘結(jié)劑含量為的石墨電極的循環(huán)性能最好，、這個(gè)含量可以使活性物質(zhì)得到很好的粘連以滿足循環(huán)性能的要求。一暮啊之量蘭旦閨粘結(jié)劑鉀電池的能曲線圈枯結(jié)劑鈍乜池的循環(huán)性能曲

11、線不同乙炔黑含量對石墨嵌鋰的影響乙炔黑在鋰電池電極中是不可缺少的導(dǎo)電劑。鋰電池中的正、負(fù)極都是由活性材料貯鋰材料，枯結(jié)劑和導(dǎo)電荊所組成的。肖從電解液中嵌入活性材料或從活性材料中脫出返同電解液中時(shí)，外電路必須同時(shí)向活性材料供給電子或移走電子。電于的流動(dòng)必須通過導(dǎo)乜荊和桔結(jié)劑在試樣顆粒周同所組成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來完成。而乙炔黑具有電子導(dǎo)電率高、粒度很小。且備向同性。因此在鋰電池中電極中一直都采用乙炔黑作為導(dǎo)電刺。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對不同含量乙炔黑的石墨電極進(jìn)行電化學(xué)分析，以得到晟優(yōu)的乙炔黑配比。首先周定粘結(jié)劑的含量不變。通過改變乙炔黑的含量，分別為、。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖和。第崩中國納米科技州安研討會(huì)論文集尉不

12、同乙炔黑臺(tái)量對鋰乜池可逆和不可逆容量的影響圖是不同乙炔黑含量對鋰屯池充放電過程中的可逆容量和不可逆容量變化曲線?？梢钥瓷剑S著乙炔黑含量的增加，墨電極的可逆容顰也逐漸提高：但同時(shí)不可逆容量也在迅速的增加。這意味著正極需要提供更多的鋰容量，這部分增加的容量大量的消耗在不可逆容量里，不可逆容量從增加到。而目前常用的鋰電池正極鈷酸鋰的容量通常為左右，這意味著需要浪費(fèi)大量的正極材料。匿不同臺(tái)置乙炔黑的石墨電極充放電曲線、圖是不同乙炔黑含量鋰電池的充放電曲線（為便于區(qū)分，不同乙炔黑古量極片的充放屯曲線按照含量的增加，充放電電位分別上移）。從圖中可以看出，石墨極片的乙炔黑含量如果過少，只有或者無乙炔黑石墨

13、電極的放電（可逆脫鋰）容量小于；而乙炔黑含量超過容量則容量都超過了。乙炔黑在石墨電極中。主要是由于其良好的導(dǎo)電性起導(dǎo)電作用但同時(shí)乙炔黑也有一定的嵌鋰容量，首次放電容量比較大充電容量為左右。因此，乙炔黑含量的增加除了增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電性降低了電池的內(nèi)阻，而且也會(huì)增加石墨電極的充放電容量。但并不是乙炔黑含量越高就越有利丁電池嵌鋰性能，這是因?yàn)?；首先乙炔黑的比表面積比較大，乙炔黑的含量增加會(huì)太量的增加電極的比表面積，粘結(jié)劑的使用需要增加，同時(shí)在充放電過程中會(huì)消耗大量的鋰形成表面鈍化膜：其次乙炔黑的含量增加，對于石墨電極的循環(huán)性能影響較大乙炔黑的含量為。首次可逆容量很高為，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，容量逐漸

14、衰減到左右。因此。乙炔黑含量的增加不利于改進(jìn)電池循環(huán)性能，并且多次循環(huán)可逆容量低于乙炔黑含量的電極可逆容麓。結(jié)論利用白行設(shè)計(jì)的小型艤電極模擬電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行電化學(xué)性能測試通過研究粘結(jié)荊和乙炔黑在鋰離子電池電極中的添加含量，使天然石墨作為鋰離子電池負(fù)極材料的可逆容量和循環(huán)壽命達(dá)到最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過高或偏低的粘結(jié)劑和乙炔黑的含量都不利于鋰電池得到晟佳的容量和循環(huán)壽命。當(dāng)粘結(jié)劑的含量為和乙炔黑的含量為時(shí)，用石墨材料作為電第屆中國納米科技兩安研討會(huì)論文集 極的鋰離子電池可逆容量達(dá)到最高的， 幢，次循環(huán)容量保持在左右 參考文獻(xiàn)： 【】 ， ，蛆， ，（）： 張文，龔克成鋰離子電池用碳負(fù)極材料【】電池， （）： 【尹鴿平，周德瑞王慶。史鵬飛鋰離于電池碳負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)與嵌鋰行為【】炭索，（）： 【】壬先友張?jiān)适查惤?。宋德瑛鋰離子電池碳負(fù)極研究新動(dòng)向【】電源技術(shù)，（）： 】 ， 鯽 州 ，（： 【】李同起，王成揚(yáng)中問相炭徽球研究進(jìn)展【炭素技術(shù)，（）： 【】馮熙康張宏有陳益奎，劉黨均，朱進(jìn)朝，郭鳴風(fēng)楊瑞敏石油焦族碳材結(jié)構(gòu)及負(fù)極性能德研究【】 電源技術(shù)，