推荐!李泓等|锂离子电池负极材料标准解读

2019-02-16


文章来源

 周军华, 褚赓, 陆浩, 刘柏男, 罗飞, 郑杰允, 陈仕谋, 郭玉国, 李泓. 锂离子电池负极材料标准解读[J]. 储能科学与技术, 2019, 8(1): 215-223.




摘要
 
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      随着锂离子电池行业的兴起,其负极材料也得到了蓬勃发展。我国在锂离子电池领域所占据的市场份额仅次于日韩,已有多家负极材料厂商处于世界先进水平。为了促进锂离子电池负极行业的健康发展,我国从2009年开始就陆续颁布了相关标准,涉及原料、产品和检测方法,提出了各项参数的具体指标,并给出了相应的检测方法,对负极材料的实际生产和应用起到了指导性作用。本文介绍了这些标准的主要内容和要点,包括晶体结构、粒度分布、密度、比表面积、pH值、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。此外,本文还对今后的标准制定工作提出了部分建议。




文章目录


1  国内锂电负极材料相关标准


2  锂电池负极材料产品标准技术规范


2.1  锂离子电池对负极材料的要求


2.2  负极材料的晶体结构


2.3  负极材料的粒度分布


2.4  负极材料的密度


2.5  负极材料的比表面积


2.6  负极材料对pH和水分的要求


2.7  负极材料的主元素含量


2.8  负极材料的杂质元素含量


2.9  负极材料的首次可逆比容量和首次效率



3  对今后标准制定工作的建议



4  结    语


图文概括


      锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应和环境友好等众多优点,已经在智能手机、智能手环、数码相机和笔记本电脑等消费电子领域中获得了广泛地应用,具有最大的消费需求。同时,它在纯电动、混合电动和增程式电动汽车领域正在逐渐推广,市场份额的增长趋势最大。另外,锂离子电池在电网调峰、家庭配电和通讯基站等大型储能领域中也有较好的发展趋势(图1)




图1  全球锂离子电池市场需求及份额




 锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成,其中负极材料的选择会直接关系到电池的能量密度。随着人们对锂离子电池能量密度的追求越来越高,硅材料和金属锂将是负极材料未来的发展趋势(图2)。



图2  可充放电电池的可能发展体系



 我国在锂离子电池负极材料产业化方面具有一定的优势,国内电池产业链从原料的开采、电极材料的生产、电池的制造和回收等环节比较齐整。此外,我国的石墨储量丰富,仅次于土耳其和巴西(图3)。



图3  全球石墨资源储量分布



 石墨主要有两种晶体结构,一种是六方相,另一种是菱方向。在石墨晶体中,这两种结构共存, 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(图4),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。



图4  商业上广泛使用的锂离子电池负极材料的结构




 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(图5),这有利于提高固含量,减小涂布难度。



图5  颗粒的粒径以及分布宽度对浆料黏度的影响



       综上所述,负极材料标准主要是从晶体结构,粒度分布、振实密度和比表面积,pH和水含量,主元素含量和杂质元素含量,首次可逆比容量和首次充放电效率5个方面对材料做出了要求,以期达到使电池具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命、高能量效率、低使用成本和环境友好的目的(图6)。这些标准规范了锂离子电池负极材料的各项指标参数,可用于指导其实际生产和应用。


图6  负极材料标准中的指标总结

      近年来,在国家的大力支持下,锂离子电池行业发展势头良好,负极材料迎来了前所未有的机遇。由于新能源行业对锂离子电池能量密度的要求越来越高,石墨和钛酸锂材料的性能正在不断地优化。与此同时,下一代锂离子电池负极材料——硅,也正在逐步开始商业化。因此,需要对原有的负极标准进行升级,甚至是编制新的标准,从而促进我国锂离子电池行业的健康和可持续发展。