锂离子电池快充石墨负极材料的研究进展及评价方法

研究背景

     近几年，随着人们对纯电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的需求日益见长，对高功率和高能量密度锂离子电池（LIB）的要求也越来越高。石墨是LIB最常用的负极材料，具有高能量密度、低电压、良好的电导率、资源丰富和价格低廉等优点。然而，在大电流充电时，石墨材料存在充电容量低且表面容易析锂等缺点，导致锂离子电池有效容量偏低及严重的安全问题。本文综述了快充石墨材料的最新研究成果，主要包括材料的孔隙结构、表面修饰和元素掺杂等方面的影响，同时总结了几种评价石墨材料快充性能的方法，并展望了石墨材料未来的发展方向。

目录及图文导读

图1  锂离子电池的工作原理示意图

1  快充石墨材料的研究进展

       为了提高石墨材料的快充性能，科研工作者们尝试了多种方法，如增加锂离子嵌入通道，石墨表面官能团化，表面包覆软硬碳及元素掺杂等。下文将分类介绍快充石墨材料的研究进展。

1.1  孔隙结构

（a）

（b）

图2  （a）Li+在KOH刻蚀石墨中扩散的过程；（b）原始石墨、刻蚀-退火石墨及刻蚀石墨的倍率性能

图3  泡沫石墨的在不同倍率下的比容量的保持率(0.2～30 C)

1.2  表面氧化

图4  微扩层鳞片石墨和原始石墨倍率放电性能

1.3  表面包覆

1.4  元素掺杂

（b）

图5  原始石墨、掺P石墨、掺B石墨等电化学性能。（a）在50次循环中，恒定电流为0.5 C（180 mA/g）时的循环性能和库仑效率；（b）不同电流密度下的倍率

2评价石墨材料快充性能的方法

       锂离子扩散速率是评价材料是否具有快充性能的重要指标。测定锂离子在石墨材料中扩散系数的方法有很多，如电化学交流阻抗法（EIS）、恒电位间歇滴定法（PITT）和恒电流间歇滴定法（GITT）等方法。

2.1  电化学交流阻抗（EIS）

(b)

图6 （a）包覆和未包覆石墨的电化学交流阻抗（EIS）；（b）石墨电极的交流阻抗等效电路图

2.2  恒电位间歇滴定法（PITT）

图7  响应电流i与关系图

2.3  恒电流间歇滴定法（GITT）

图8  不同状态下的OCV和扩散系数

结论

       石墨储量丰富，价格低廉，具有较高的能量密度，在未来一段时期内仍将是主要的锂离子电池负极材料。但随着人们对高功率和高能量密度的锂离子电池的需求越来越迫切，传统石墨负极材料也面临着巨大的挑战，如快充和高能量密度等。

       本文着重介绍了快充石墨的最新研究成果及评价方法。针对石墨本身的层间距小，Li+扩散阻力大的缺点，研究者采用碱刻蚀增加锂离子嵌入通道，石墨表面官能团化，表面包覆软硬碳及元素掺杂等方法，大幅度提高了材料的快充性能。此外，为了评价材料的快充性能，本文总结了几种测量锂离子扩散系数的方法。这几种方法各有优缺点，在实际使用时应扬长避短，得到稳定可靠的结果。

       未来，开发具有快充能力的锂离子电池势在必行，而快充石墨材料的研发是关键。需要注意的是，提高材料快充性能不能以牺牲其它性能为代价，如循环稳定性和加工性能等。因此，应根据具体应用领域，选择合适工艺，平衡各项性能指标，开发适合的快充石墨材料。新型快充石墨材料的开发将锂电负极材料锦上添花，为社会带来更为可观的经济效益和环境效益。它的广泛应用必将进一步推动锂离子电池在电动汽车、无人机以及储能设备等领域的应用。

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