石墨的锂离子扩散系数
石墨的锂离子扩散系数
石墨的锂离子扩散系数
石墨是一种常见的碳材料，广泛应用于电池、超级电容器等领域。
其中，电池是石墨应用的重要领域之一。
石墨在锂离子电池中扮演着负
极的角色，而锂离子的扩散则是影响电池性能的关键因素之一。
因此，石墨的锂离子扩散系数成为了研究的重要内容之一。
锂离子电池中，锂离子的速率与其扩散系数密切相关。
石墨的锂离子
扩散系数与温度、压力、液体电解质浓度等因素密切相关。
一般来说，在室温下，石墨的锂离子扩散系数在10^-6至10^-5 cm^2/s之间。
当温度升高时，石墨的锂离子扩散系数也会增加。
同时，石墨的晶体结构也会影响其锂离子的扩散性能。
石墨的层间距
离越大，其锂离子扩散系数就越大。
此外，石墨材料中氧、氢等其他
元素的含量也会对其锂离子的扩散产生影响。
如果石墨中的杂质含量
过高，会导致锂离子的扩散受到阻碍，进而影响电池的性能。
为了提高锂离子电池的性能，研究人员提出了不少方法来改善石墨的
锂离子扩散性能。
其中，较为常见的方法包括改变石墨的晶体结构、
控制石墨材料中杂质的含量等。
另外，通过合成复合材料，如石墨/碳纤维等，也能提高石墨的锂离子扩散性能。
总之，石墨的锂离子扩散系数是影响锂离子电池性能的一个重要因素。
通过对石墨的晶体结构、材料中杂质含量等因素进行研究和控制，可
以提高石墨的锂离子扩散性能，从而进一步提升锂离子电池的性能。
li的扩散系数
li的扩散系数
（最新版）
目录
1.锂（Li）的概述
2.锂的扩散系数的定义和意义
3.锂的扩散系数的影响因素
4.锂的扩散系数在科研和工业中的应用
5.我国在锂的扩散系数研究方面的发展
正文
锂（Li）是一种轻金属元素，位于周期表的第二组，原子序数为 3。
锂具有较低的密度和较高的比热，是一种优秀的轻质金属材料。
在众多领域，如能源、材料科学和生物医学等，锂及其化合物都发挥着重要作用。
锂的扩散系数是描述锂在各种材料中扩散能力的物理量，对于了解锂在不同材料中的行为具有重要意义。
锂的扩散系数指的是锂在单位时间内通过单位面积的能力，通常用公式 D= 1/t 表示，其中 D 表示扩散系数，t 表示扩散时间。
锂的扩散系数受多种因素影响，如温度、材料结构和材料成分等。
一般来说，温度越高，锂的扩散系数越大；不同类型的材料，锂的扩散系数也会有很大差异。
锂的扩散系数在科研和工业领域具有广泛的应用。
在锂电池研究中，了解锂的扩散系数有助于优化电极材料和电解质，提高电池性能和安全性。
此外，在金属提炼、腐蚀防护和核反应堆等领域，锂的扩散系数也具有重要的参考价值。
我国在锂的扩散系数研究方面取得了显著的进展。
近年来，我国科学家们在锂电池材料、锂提取工艺和锂在材料中的行为等方面进行了深入研究，为我国新能源产业和相关领域的发展奠定了坚实基础。
同时，我国政
府也积极推动锂电池产业发展，为相关研究提供了有力的支持。
总之，锂的扩散系数是描述锂在各种材料中扩散能力的重要物理量，对锂在科研和工业领域的应用具有指导意义。
锂离子电池材料的导电性能分析
锂离子电池材料的导电性能分析随着科技的不断进步，锂离子电池作为一种重要的能源存储装置得到广泛应用。
锂离子电池材料的导电性能是影响电池性能的重要因素之一。
本文将对锂离子电池材料的导电性能进行详细分析，并讨论其在电池性能中的作用。
一、锂离子电池基本原理1.1 锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜组成。
正极材料通常是锂盐和过渡金属氧化物，负极材料主要是石墨或硅基材料。
1.2 锂离子电池的工作原理在充放电过程中，锂离子从正极迁移到负极，而电子则在电路中流动。
锂离子的扩散和电子的传导决定了电池的导电性能。
二、导电性能的评价指标2.1 电导率电导率是衡量材料导电性能的重要指标之一。
它反映了材料中电流的传导能力。
通常用电导率来评价材料的导电性能，单位为S/m。
2.2 离子扩散系数离子扩散系数是评价材料中离子传输能力的指标。
它决定了锂离子在电池材料中的传输速度。
一般使用以米为单位的离子扩散系数来表示。
三、影响导电性能的因素3.1 材料种类不同的材料具有不同的导电性能。
常见的正极材料有锂铁磷酸盐、锂钴酸盐和锂锰酸盐等。
负极材料可以是石墨、硅基材料等。
3.2 晶体结构晶体结构对材料的导电性能有很大影响。
晶体结构的规整性和缺陷的存在都会影响材料的导电特性。
3.3 离子扩散路径离子在材料中的传输路径也会影响材料的导电性能。
如果离子的扩散路径较长或存在阻碍，材料的导电性能会受到限制。
四、提高导电性能的方法4.1 添加导电剂通过在材料中添加导电剂，可以增强材料的导电性能。
常用的导电剂有碳黑、导电纤维等。
4.2 优化晶体结构通过控制材料的合成方法和工艺参数，可以优化晶体结构，从而提高材料的导电性能。
4.3 改善离子扩散路径通过改变材料的微观结构和孔隙分布等，可以改善离子在材料中的扩散路径，提高导电性能。
五、导电性能对电池性能的影响导电性能直接影响到电池的充放电速率和循环寿命。
良好的导电性能可以提高电池的功率密度和能量密度，并减少电池的内阻。
阴离子插层石墨导致的膨胀
阴离子插层石墨导致的膨胀
阴离子插层石墨（也称为锂离子电池负极材料）是一种具有高能量密度的材料，常用于锂离子电池中。
在锂离子电池的充放电过程中，锂离子会在正负极之间进行迁移，其中负极材料中的石墨会发生膨胀现象。
当锂离子嵌入到石墨层间的时候，石墨晶格会发生膨胀，这是因为锂离子的尺寸比石墨层间的空隙大。
随着锂离子的嵌入，石墨晶格不断膨胀，导致整个电池的体积增大。
而在放电过程中，锂离子会从石墨层间迁移到正极材料，石墨晶格则会收缩恢复到初始状态。
这种膨胀现象很大程度上影响了锂离子电池的性能和寿命。
首先，膨胀会导致电池内部的应力集中，可能引起电池包装材料的损坏，甚至导致电池短路或爆炸。
其次，膨胀也会导致电池在循环过程中容量的衰减，因为石墨晶格的膨胀和收缩会引起电极材料的结构变化，导致锂离子嵌入和释放的效率下降。
为了解决这个问题，科研人员一直在寻找更好的负极材料，以减少膨胀带来的负面影响。
例如，一些研究团队正在开发具有更高比表面积和更大层间间隙的石墨结构，以便更好地容纳锂离子，从而减少膨胀现象。
此外，也有一些替代材料被提出，如硅基负极材料，它具有更高的能量密度，但同时也存在着类似的膨胀问题。
总之，阴离子插层石墨导致的膨胀是锂离子电池中一个重要的问题，需要通过材料设计和工艺改进等手段来解决。
这样才能提高电池的性能、安全性和寿命。
石墨电极中锂离子扩散的原位观测
石墨电极中锂离子扩散的原位观测朱建宇;郭战胜;冯捷敏;戴文浩【摘要】锂离子在电极中的扩散机制是理解和研究锂离子电池各类性能的基础.设计了一个新型实验室模拟电池,实时原位观测了石墨电极充电过程中的颜色变化,研究了锂离子的扩散路径和机理.实验发现,锂离子从石墨电极边缘向中心进行扩散,边缘部分锂离子首先达到饱和状态.充电倍率显著影响锂离子扩散机理.充电倍率增大,LiC18相(对应于深蓝色区域)明显多于LiC12相(对应于红色区域),反映出锂离子浓度梯度增大.通过观测颜色变化,发现大倍率充电时可嵌入的锂离子少于小倍率.通过对石墨负极图像进行原位比色,可以估算出电极的实时充电状态.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)008【总页数】5页(P1550-1553,1639)【关键词】锂离子电池;原位观测;锂离子扩散;原位比色【作者】朱建宇;郭战胜;冯捷敏;戴文浩【作者单位】上海市应用数学和力学研究所,上海200072;上海市应用数学和力学研究所,上海200072;上海市力学在能源工程中的应用重点实验室,上海200072;上海市力学在能源工程中的应用重点实验室,上海200072;上海大学理学院力学系,上海200444;上海大学理学院力学系,上海200444【正文语种】中文【中图分类】TM912锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长的优点，是目前和未来在混合动力汽车和纯电动汽车上非常有前景的能量储存装置。
石墨由于安全性高、成本低、循环性能稳定，因此被用作许多商业锂离子电池的电极材料。
不可避免的，锂离子电池存在容量衰减的问题[1-4]，石墨电极中锂的不均匀分布是影响循环寿命的重要原因之一[5-7]。
因而，不少学者对锂离子电池石墨电极进行了原位观测[8-18]。
Eastwood等[8]用X射线断层摄影技术观察了锂离子电池石墨电极，低分辨可观察到超过1 000个颗粒组成的电极的孔隙率、表面体积比和孔弯曲率等，高分辨可分析单个粒子的表面体积比。
锂离子电池负极材料石墨的改性分析课件
石墨的改性需求和重要性
01
为了提高石墨的电化学性能和锂离子电池的整体性能，需要对 石墨进行改性处理。
02
பைடு நூலகம்
改性处理可以改善石墨的层间结构和稳定性，提高其可逆容量
和循环寿命。
改性处理还可以改善石墨的体积效应和安全性问题，提高锂离
03
子电池的能量密度和安全性。
02
石墨改性技术
表面涂层技术
表面涂层技术是指在石墨表面涂覆一层具有保护、增强和改性作用的涂层，以提 高石墨的电化学性能和稳定性。
烯片层堆叠而成。
石墨具有高导电性和高导热性， 以及良好的化学稳定性和耐腐蚀
性。
石墨的层间相互作用力较弱，容 易发生层间滑移。
石墨在锂离子电池中的应用
石墨作为锂离子电池 负极材料具有良好的 电化学性能和稳定性 。
石墨在锂离子电池中 具有良好的充放电性 能和循环寿命。
石墨具有较高的理论 容量和较低的嵌锂电 位，能够提供较高的 能量密度。
锂离子电池负极材料石墨的改性 分析课件
contents
目录
• 石墨材料概述 • 石墨改性技术 • 石墨改性的实验方法和结果分析 • 石墨改性在锂离子电池性能上的影响 • 石墨改性的未来研究方向和挑战 • 参考文献
01
石墨材料概述
石墨的物理和化学性质
石墨是一种层状结构的碳材料， 其晶体结构由二维蜂窝状的石墨
实验结果分析
石墨与硅基材料混合后，容量 和循环性能得到显著提升
高温处理后，石墨的层间距增 大，有利于锂离子的嵌入和脱
电化学测试结果表明，改性后 的石墨具有更高的比容量和更 稳定的循环性能
结果比较和讨论
与未改性的石墨相比，改性后的 石墨具有更高的能量密度和更长
石墨烯的制备及电化学性能研究
目录摘要 (I)Abstract ......................................................................................................................... I I 1 引言 (1)1.1 石墨烯的制备 (2)1.1.1 机械剥离法 (2)1.1.2 电化学剥离法 (2)1.1.3 化学气相沉积法 (3)1.2 石墨烯电极材料的制备 (5)1.3 石墨烯电极材料电化学性能测试 (5)2 实验部分 (6)2.1 实验试剂 (6)2.2 实验仪器 (6)2.3 RHAC和GQDs的制备 (6)2.4 RHAC-GQDs的制备 (6)2.5 电极制备和电池组装 (7)3 结果和讨论 (8)3.1 分析了RHAC的比表面积和孔隙结构 (8)3.2 GQDs的拉曼光谱和荧光光谱分析 (8)3.3 红外光谱分析 (8)3.4 XRD分析 (8)3.5 扫描电镜分析 (9)3.6 循环伏安法测试分析 (9)3.7 恒流充放电试验分析 (9)3.8 电化学阻抗分析 (10)4 结论与展望 (12)4.1 结论 (12)4.2 主要创新点 (12)4.3 展望 (12)参考文献 (13)致谢............................................................................................ 错误!未定义书签。
摘要石墨烯由于其十分优异的电学、热学和机械性能及优良的透光率、比表面积大等优势而广泛的受到人们追捧。
尤其是在2004年成功制得稳定存在的石墨烯之后，更是兴起了一股研究石墨烯的潮流。
如何成本低廉、面积大、数量丰富、质量优异的制备石墨烯，并将其应用在实际生产中是研究人员努力的目标。
本文主要对这几年中一些改善的或新的石墨烯的制备方法以及其电化学性能做了综述，从中可以看到石墨烯在电学方面存在巨大的发展潜力。
锂离子在石墨、MoS2_及其复合材料中扩散过程的分子模拟及量子力学研究
文章编号：1006-3080(2021)02-0129-08DOI: 10.14135/ki.1006-3080.20191224004锂离子在石墨、MoS 2及其复合材料中扩散过程的分子模拟及量子力学研究张少阳， 刘 宇， 刘洪来（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，化工学院，上海 200237）摘要：锂离子在电极材料中的传递性能对电池的充放电速率起着至关重要的作用。
采用非平衡态分子动力学（NEMD ）方法，模拟了充电过程中锂离子在石墨、MoS 2及其复合材料（G/MoS 2）中的迁移过程，考察了锂离子的非平衡态扩散时间、平衡态扩散系数（D ）和吸附能，探究了石墨、MoS 2层间距及边缘结构对锂离子扩散的影响。
计算结果表明：锂离子的传递扩散系数与其自扩散系数间有5~7个数量级的差别；锂离子在石墨、MoS 2中迁移的最佳层间距分别为0.42、0.75 nm ；石墨边缘结构对锂离子迁移的促进效果依次为：C −OH>C −F>C ＝ O>C −H 。
G/MoS 2复合材料的分析结果表明：材料复合的均匀度越高，越有利于锂离子的扩散。
关键词：非平衡态分子动力学模拟；锂离子电池；扩散；G/MoS 2复合材料中图分类号：TM911文献标志码：A锂离子电池（LIBs ）是一种高效的能量存储装置，具有能量密度高、比体积小、寿命长、成本低等优点[1-4]。
在LIBs 中，石墨具有优异的物理化学性能和廉价易得的特性，是目前应用最为广泛的电极材料。
MoS 2具有与石墨相似的二维结构，且有较高的理论容量（670 mA·h/g ）。
MoS 2与石墨的复合材料（G/MoS 2）由于其性能一般优于单纯的石墨和MoS 2[5-7]，因而受到了学术界的广泛关注。
例如，Tiwari 等[8]合成了三维的G/MoS 2/G 复合材料，发现其比容量（1 260 mA·h/g ）和循环稳定性（循环100次后，比容量保持在810 mA·h/g ）都远高于MoS 2。
高性能天然石墨负极材料生产及应用开发方案(一)
高性能天然石墨负极材料生产及应用开发方案一、实施背景随着电动汽车、电子设备等行业的快速发展，锂离子电池的需求持续增长。
石墨负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能直接影响到电池的能量密度、充放电速率和循环寿命。
目前，市场上的石墨负极材料主要以人造石墨为主，但天然石墨具有更高的能量密度和更低的成本，因此开发高性能的天然石墨负极材料具有巨大的市场潜力。
二、工作原理天然石墨负极材料的工作原理主要基于石墨的层状结构和锂离子在层间的嵌入/脱出。
在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解质和隔膜，嵌入到石墨的层状结构中；放电过程中，锂离子从石墨层间脱出，回到正极材料中。
由于石墨的层状结构，锂离子可以在层间快速嵌入/脱出，从而保证了电池的高充放电速率。
三、实施计划步骤1.原料选取与处理：选择高纯度、大片径的天然石墨，以增加锂离子的嵌入/脱出容量。
对原料进行破碎、球磨、酸洗等处理，去除杂质，提高石墨的电化学活性。
2.物理/化学活化：通过物理或化学方法（如机械球磨、等离子处理、氧化还原等），增加石墨层间的缺陷和活性位点，提高锂离子嵌入/脱出的可逆性。
3.表面修饰：利用化学气相沉积（CVD）等技术，在石墨表面沉积金属或非金属元素，改善其电化学性能。
4.制片与组装：将活化后的石墨制成电极片，与集流体、隔膜等组装成电池。
5.性能测试与优化：对电池进行充放电性能、循环寿命、倍率性能等测试，根据结果调整工艺参数，优化材料性能。
四、适用范围本方案适用于电动汽车、储能系统、电子设备等领域。
通过提高天然石墨负极材料的性能，可有效降低锂离子电池的成本，同时提高其能量密度和充放电速率，满足各领域对高性能电池的需求。
五、创新要点1.原料优选：选用特定类型和质量的天然石墨作为原料，以确保获得高性能的负极材料。
2.多级活化技术：通过物理和化学方法相结合，实现石墨层间的深层次活化，提高锂离子嵌入/脱出的容量和可逆性。
3.表面功能化：利用先进的表面工程技术，改善石墨表面的电化学性能，提高其循环寿命和稳定性。
石墨负极材料详细介绍
第二章 锂电负极材料的发展和现状
❖锂离子电池的重要性
❖锂离子电池能否成功应用，关键在于能可逆地嵌入脱嵌锂离 子的负极材料的制备。
❖负极材料是锂离子电池的主要组成部分携电源的需求激增，加大了对锂离子小电池的需求， 高容量、有着可靠循环性的负极材料成为人们研究的一个重点 。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•碳碳双键组成六方形结构，构成一个平面（墨平面），这些墨平面 相互堆积起来，就成为石墨晶体。石墨晶体的参数主要有La、Lc和 d002，La为石墨晶体沿a轴方向的平均大小，Lc为墨平面沿与其垂直 的c轴方向进行堆积的厚度，d002为墨平面之间的距离。
•完整石墨晶体的一些结构参数
•结构
•石墨属于六方晶系，其晶体是由碳原子组成的六角网状平面规则堆砌 而成，具有层状结构。在每一层内，碳原子排成六边形，每个碳原子 以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子以共价键结合，剩下的P轨道上电 子形成离域π键。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•石墨存在两种晶体结构：六方形结构和菱形结构，六方形结构为 ABABAB…堆积模型、菱形结构为ABCABCABC…堆积模型，如 下图所示：（a）为六方形结构，（b）为菱形结构。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•石墨作为锂离子电池负极材料
•锂离子电池是指以两种不同的能够 可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化 合物分别作为电池正极和负极的二 次电池体系。充电时，锂离子从正 极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入 到负极中；放电时则相反，锂离子 从负极脱嵌，通过电解质和隔膜， 嵌入到正极中。
•锂离子电池的负极是由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状 胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。
•石墨由于具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前 后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，成为目前主流的商 业化锂离子电池负极材料。
锂在高有序热解石墨电极中的扩散系数
锂在高有序热解石墨!"#$%&电极中的扩散系数努丽燕娜’万传云’严曼明’庄继华’江志裕!复旦大学化学系’上海())*++&摘要用循环伏安,交流阻抗和电位阶跃法研究了平板高有序热解石墨!-./0&电极在12345667/89和体积比为1:1的;<5=><溶液中的电化学行为?结果表明’石墨的嵌锂反应仅发生在边界面上?随着嵌锂量的增加’表面@;A膜的电阻和嵌入反应的极化电阻减小?用交流阻抗谱和电位阶跃方法测定的锂在高有序热解石墨中的扩散系数一致’并随充电程度的增加而显著减小?在电极电位!B C ?67567D&)?(E)?)F G 区间’扩散系数由1)H 11I 2(5J 下降到1)H 1(I 2(5J ?关键词高有序热解石墨!-./0&K 锂离子电池负极K 扩散系数K 嵌入反应中图分类号.9*9文献标识码L文章编号)(F 1M )N O )!())(&)N M 1+N F M )*收稿日期P()))M )Q M (Q ?基金项目P 国家自然科学基金!批准号P(Q O ++)O )&资助?联系人简介P 江志裕!1O *)年出生&’男’教授’博士生导师’从事表面电化学和高能化学电源研究?;M 2R 74P S T U 7R V W X Y Z [R V ?R I ?I V石墨是锂离子电池的重要负极材料之一\1]’由于理论比容量较高!+N (2L ^_5W&’且资源丰富’故在锂电池工业中的应用正在扩展?扩散系数是碳电极嵌锂反应的重要参数’它与碳电极可承受充放电流的能力有关’常用电化学交流阻抗图谱法!;A @&\(E 9],电位阶跃时间电流法!/@<L &\N ],电位间歇滴定法!/A ‘‘&\*],电流脉冲弛豫法!</a &\N ]和bR c d Z c W 阻抗法\N ]测试?实验测得锂在碳材料中的扩散系数与材料来源有关’其变化范围较大’为1)H 9E1)H 1+I 2(5J?已知锂在碳中的扩散系数随嵌锂量的增加而下降\(E *’N ]?目前’锂在碳中扩散系数的测定存在数据一致性较差的问题\N ]?其原因可归因于嵌入反应及多孔性电极的复杂性?为正确测定锂在碳中的扩散系数’我们选用了块状的高有序热解石墨!-./0&为研究材料?它具有高度的有序性’碳原子处在垂直于e 轴的层面!)))1&上’与层面垂直的是边界面?以-./0边界面平板电极为研究电极研究嵌入反应’并求出锂在石墨中的扩散系数?f 实验部分以层面!)))1&为基准’将用作晶体单色器的高有序热解石墨!g h -型’美国L [i R V I j [<j c R 27I J 公司&切出立方块做电极?用环氧树脂将其封入玻璃管中’制成表面为层面或边界面的电极?充放电实验电极面积)?*I 2k)?*I 2’立方块重)?1(Q W ?循环伏安实验电极面积为)?(I 2k)?(I 2?对于层面电极’可利用胶纸粘贴后撕下的方法进行层层剥离’露出新鲜表面?边界面电极的表面采用)?1l 2氧化铝粉抛光?由于石墨很软’抛光时氧化铝粉易于嵌入表面’用超声波清洗后再用小刀小心刮去表面层可以取得可重复的数据?分别作循环伏安,交流阻抗和电位阶跃法测试?实验采用玻璃三电极电解池’辅助电极和参比电极均为锂片?电解液为12345667/89’体积比为1:1的;<5=><溶液!>j c I m 公司&?使用前研究电极和电解池均在1()n 下干燥(_?电解池的组装是在干燥空气氛的手套箱中进行’箱内放有多盘/(.F 以保持空气的干燥?用/L a >(N +L 和/L a >+O Q 电化学测试系统进行电化学测量?循环伏安曲线的电位扫描速度为)?12G 5J ?电化学交流阻抗谱的测定参数P 电位微扰值F 2G ’频率为12-S E1))m -S’重复测量+次?实验在室温下进行?o 结果和讨论o ?f 循环伏安特性图1为平板-./0电极在12345667/89’体积比为1:1;<5=><溶液中的循环伏安曲线?由G 34?(+高等学校化学学报p 3?N())(年N 月<-;>A <L 6q .r a p L 6.8<-A p ;@;r p A G ;a @A ‘A ;@1+N ss s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s F E1+N Q图!曲线"可见#第一次负向电位扫描时在$%&’左右有一电流峰#它对应于电解液的阴极分解和生成固体电解质界面层()*+,%电位进一步降低时#生成锂碳嵌合物的阴极电流逐渐增加%当电位回扫时锂碳嵌合物阳极氧化#出现阳极电极峰%在第二次电位扫描时#$%&’的阴极电流峰消失#这可归因于致密的固体电解质界面层阻止了溶液的分解%图!曲线-是./01层面电极的循环伏安曲线#其氧化还原电流很小#与曲线"相比电流可以忽略%因此石墨的阴极嵌锂反应仅发生在边界面上%%依得极线-层膜两线高电容!膜电阻并联组和双电层电容!法拉第阻抗并联组的串联线路"见图#$%&’(其中)*+为电解液及电极的接触电阻,)-./-分别为石墨电极表面钝化膜的电阻和电容,)01./2分别为嵌入反应电荷传递极化电阻和双电层电容(电化学参数拟合结果见表3(:?:B A C D J :J <C 5@6A 9:E 5C O A B 9>C 6:N C D B :O OP Q 1*R 1S T +!U)*+!V )-!"V W 0X %’/-!"Y Z W 0X [%’)01!"V W 0X %’/2!"Z W 0X [%’\(]%#(^#_#]#\\(‘%a (%^^\#]^%%#33(^b3\[#\(#%#(3^\\^^a 3#%3\(a b3\[#\(%^\(‘%#3#3]33‘a %(‘b3\[#\(\a%](‘%\33c c3\%]‘(‘b3\[#由表3可知.随电位的下降)-值逐渐变小(这可能是由于d e f 膜中g S h浓度的增加(/-值总体下降.但在\(%U 时一个较高的数值()01也逐渐下降.这与图%中表现的低电位区极化减小是一致的(在嵌锂程度较高时.双电层电容/2显著增大(锂在石墨中的扩散过程特性反映在低频区的直线部分(由下式可求锂在锂碳嵌入化合物中的扩散系数$#&ij S X k[lm [3!%,l k n X "2o Q 0!2p ’q r s "%t ’3!%"3’式中j S X 为复数阻抗的虚部.m 为角频率.q k3.s 为电极的反应面积.o Q 0为开路电极电位(nX 为锂在p !‘"%’!k3%为碳的原子量."k%(\#!0X ^.为高有序石墨的密度.p !‘是g S p ~‘中的锂碳比(2o Q 0!2p 为在不同嵌锂量p 时开路电极电位的斜率(电位等于\$%和\(\a U 时.其2o Q 0!2p 为嵌入反应引起的开路电位的变化.由此可求锂在嵌锂化合物中的扩散系数(电位为\(%U 时%k \(‘‘.相应的p 为\(#‘.电位于\(\a U 时%k3(3.相应的p 为\(c (图a 显示\(%和\(\a U 电位时的[j S X &m [3!%线性关系.从直线的斜率和方程"3’和"%’可求出扩散系数t (充电过程中’(P )边界电极中锂的扩散系数为\(%U 时为^(]_b3\[330X %!*.\(\a U 时为3(3#b3\[3%0X %!*(可见随着嵌锂化合物的锂含量增加.t 值逐渐下降.这是由于石墨层间锂原子数量的增加阻碍了锂的扩散所致(%(^(%电位阶跃法锂在高有序石墨中的扩散系数亦可用电位阶跃法测定(高有序石墨边界面电极以a \Y +!0X %进行阴极充电(充到一定电位后断开电路.待电位平衡%#,后进行扩散系数的测定(实验时电位向负方向阶跃3\X U (图‘为在不同电位下进行电位阶跃时测得的电流-时间曲线(取图‘中各曲线的数据作.&/[3!%图.可得线性关系"图_’(说明电流和时间的关系符合~Q 110*++方程.k q r s 1[3!%t 3!%23/[3!%"^’式中23为电位阶跃后并达到稳定时的浓度变化(可从下式求得23k\(\3""#’__^34Q(_努丽燕娜等i 锂在高有序热解石墨"’(P )’5555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555电极中的扩散系数从!"#$%&’直线的斜率和式()*+(,*可出求扩散系数-.第一次充电过程中在/.’0和/./10下用电位阶跃法求得的2345边界面电极中锂的扩散系数-值分别为%.%,6%/$%’和17)86%/$%’9:’&;.同电化学交流阻抗的数据比较+两者能较好符合.。
硬碳包覆人造石墨作为锂离子电池负极材料的快充性能评价
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ
ＳＥＭ ａｎｄ
ＢＥＴ．Ａｎｄ ｔｈｅ
ｉｎｉｔｉａｌ ｃｈａｒｇｅ／ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ｒａｔｅ，ＥＩＳ ａｎｄ ＧＩＴＴ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ
ｏｎ
ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ ｌａｙｅｒ
ｔｈｅ ｆａｓｔ—ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．
摘要：电动汽车及混合动力汽车的发展对锂离子电池的功率特性提出了更高的要求。目前商业化的锂离子电
池负极材料以石墨为主。然而石墨材料的层间距较小（Ｏ．３３５ ｎｍ），锂的扩散受到限制，不利于大电流充电。因
此，制备和评价具有快充能力的石墨负极材料将有力推动锂离子电池在电动汽车中的应用。本文选择了一种小
粒径（约６．７ ＬＩｍ）人造石墨，通过包覆硬碳进一步提高材料的快充性能。采用ＳＥＭ、ＢＥＴ等表征材料的物理指 标。考察材料首次充放电曲线、倍率、电化学阻抗和锂离子扩散系数等，评价硬碳包覆对快充性能的影响。 关键词：锂离子电池；人造石墨；表面包覆；快充 ｄｏｉ：１０．１２０２８／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－４２３９．２０１７．０１２９ 中图分类号：ＴＱ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ－－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ；ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｇｒａｐｈｉｔｅ；ｓｌａｒｆａｃｅ ｃｏａｔｉｎｇ；ｆａｓｔ—－ｃｈａｒｇｉｎｇ
锂离子电池已广泛应用于笔记本电脑、手机 等便携式电子设备中，并有望在电动汽车和智能
锂离子电池完全充满电需要数小时¨Ｊ。因此，在保 证安全、环保、低成本和长循环寿命的前提下，
第６卷第Ｓ１期 ２０１７年１０月
储能科学与技术
Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
锂离子电池快充石墨负极材料的研究进展及评价方法
锂离子电池快充石墨负极材料的研究进展及评价方法孙方静;韦连梅;张家玮;喻宁波;吴敏昌;乔永民;王利军;张洁【摘要】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研究进展,提出了几种评价材料快速充电性能的方法,为快充锂离子电池的开发提供理论指导.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2017(006)006【总页数】8页(P1223-1230)【关键词】锂离子电池;石墨材料;快速充电;评价方法【作者】孙方静;韦连梅;张家玮;喻宁波;吴敏昌;乔永民;王利军;张洁【作者单位】上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;上海杉杉科技有限公司,上海201209;上海杉杉科技有限公司,上海201209;上海杉杉科技有限公司,上海201209;上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;上海杉杉科技有限公司,上海201209【正文语种】中文【中图分类】TM911锂离子电池（LIB）因其高能量密度、自放电能力小及充电效率高等优点而被广泛用于小型电气设备，如移动电话和笔记本电脑[1]，未来锂离子电池有望应用到电动汽车行业中。
然而，当前锂离子电池较长的充电时间和较低的能量密度使其无法完全满足电动汽车的需求。
因此，人们迫切地希望进一步提高锂离子电池的功率特性和能量密度[2]。
锂离子电池中（图1），锂离子的扩散过程包括：①Li+在正极材料的扩散；②Li+从正极材料中脱出；③L i+在电解液中传递；④Li+穿过负极表面SEI膜；⑤Li+在负极材料中的扩散。
石墨烯在锂电池中的应用
石墨烯在锂电池中的应用墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000cm2/V•s)，导电性能优越，尤其适用与制造锂电池导电添加剂、锂电池正负极复合材料等锂电池材料。
此外，石墨烯电极复合材料及导电添加剂能有效改善电极循环性能：加入石墨烯的磷酸铁锂正极复合材料，循环100周后，可逆比容量为纯LiPO4电极的1.4倍。
石墨烯在电池中的应用1.作为导电剂锂离子电池充放电是通过锂离子在正负极的脱嵌反应来实现的。
具体表现为，充电时正极锂离子脱插，负极锂离子嵌入；放电时正极锂离子嵌入，负极锂离子脱插。
在这个过程中，嵌入与脱插的锂离子越多，电池容量越大。
其充放电速度主要由锂离子在电极中的传输和脱嵌速度来决定。
所以如果电极材料中电子和锂离子传导通道越多，其充电速度就越快。
传统锂离子电池无法进行快速充电，主要受限于锂电池正负极导电性能不足，无法同电子进行充分反应，反应层集中在表面影响内部电极的反应，导致锂离子短时间内脱嵌速度不足，无法形成大电流，间接影响锂离子扩散系数，同时受限于高倍率充电下电池寿命的衰减。
而且传统电池在工作时会在电极表面形成一层固体电解质膜，阻挡了锂离子的“脚步”，进而减慢了锂离子的运输速度。
锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元和磷酸铁锂等。
石墨烯在正极材料中属于面点接触，具有优异的导电性能，可以作为其电极的导电剂，优异于作为点点接触的常规导电剂。
锂电池有个性能叫做倍率性能，用C来衡量。
假设一块锂电池的容量是3000mAh，那么1C就是用3000mA的电流给它充电，一小时充满；2C就是用6000mA的电流充电，半小时充满。
续航与电量正相关的情况下，充到支持相同续航里程的电量，倍率性能大的电池充电时间更短。
电芯在快充时，主要的技术难点为锂离子在正极的快速脱离，在电解液的传输以及在负极的嵌入，其中相对重要的是要求正负极具有良好的导电性，可以在短时间进行大规模化学反应，这样电子的扩散速度加快，增加了锂离子的脱嵌和嵌入速度。
石墨负极嵌锂相变-概述说明以及解释
石墨负极嵌锂相变-概述说明以及解释1.引言1.1 概述石墨负极嵌锂相变是一种在锂离子电池中广泛应用的重要技术，其可以显著提高电池的性能和循环寿命。
相较于传统的石墨负极材料，石墨负极嵌锂相变具有更高的嵌锂容量和更稳定的循环性能。
本文将对石墨负极嵌锂相变的基本原理、研究背景和机制进行深入探讨，并总结其优点和未来研究方向。
首先，我们将介绍石墨负极的基本原理。
石墨负极是一种常用的锂离子电池负极材料，其主要成分是碳。
石墨负极具有良好的导电性和稳定的化学性质，因此被广泛应用于电池领域。
然而，传统的石墨负极材料存在着嵌锂容量低和循环性能衰减等问题，这限制了电池的性能和寿命。
嵌锂相变是指锂离子在充放电过程中与负极材料发生化学反应，形成嵌锂化合物的过程。
石墨负极嵌锂相变主要通过改变石墨结构中的晶格间距和化学键能来实现。
当锂离子嵌入石墨负极时，石墨的晶格间距会发生变化，导致石墨结构重新排列，形成新的嵌锂化合物。
这种嵌锂相变可以显著提高石墨负极的嵌锂容量和循环性能。
石墨负极嵌锂相变的研究背景是锂离子电池技术的不断发展和进步。
随着移动电子设备以及电动车市场的快速增长，对高性能、高循环稳定性电池的需求也越来越高。
传统的石墨负极难以满足这一需求，因此石墨负极嵌锂相变的研究成为了锂离子电池领域的热点研究方向。
通过深入研究石墨负极嵌锂相变的机制，我们能够更好地理解其优点和应用潜力。
总之，本文的目的是探讨石墨负极嵌锂相变的基本原理、研究背景和机制，并分析其优点和未来研究方向。
通过对这一技术的深入了解，我们可以为锂离子电池的性能提升和应用拓展提供有力的支撑。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构：本文主要包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在对石墨负极嵌锂相变的研究进行概述，介绍相关背景和研究目的。
正文部分主要分为三个小节，分别对石墨负极的基本原理、嵌锂相变的研究背景以及石墨负极嵌锂相变的机制进行阐述。
结论部分总结石墨负极嵌锂相变的优点，展望未来的研究方向，并对整篇文章进行总结。
锂离子嵌入石墨膨胀
锂离子嵌入石墨膨胀
锂离子嵌入石墨膨胀是指在锂离子电池的充电过程中，锂离子从正极向负极迁移，并在石墨负极中发生嵌入和脱嵌的反应。
在锂离子电池的放电过程中，锂离子从负极脱嵌，返回正极，完成电池的放电过程。
石墨是一种具有层状结构的材料，其层间空隙可以容纳锂离子的嵌入和脱嵌。
在锂离子电池的充电过程中，正极材料释放出锂离子，锂离子在电池中游移，最终进入负极材料（石墨），嵌入到石墨层间空隙中。
这个过程会导致石墨的体积膨胀，从而造成锂离子电池的体积变大。
随着锂离子迁移的进行，石墨层间的锂离子数量增加，石墨膨胀的程度也会增加。
锂离子嵌入石墨膨胀是锂离子电池充电和放电过程中的一个重要现象。
虽然锂离子嵌入石墨膨胀可以为电池提供更多的储能容量，但同时也会引发一些问题。
石墨膨胀会导致电池内部的应力和应变增大，可能会引发电池的损害或破裂。
因此，对锂离子电池的设计和材料选择需要考虑石墨的膨胀情况，以确保电池的安全性和稳定性。
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石墨的锂离子扩散系数
介绍
石墨是一种常见的炭质材料，具有优良的导电性能和化学稳定性，因此在锂离子电池中被广泛应用作为负极材料。
石墨的锂离子扩散系数是一个关键的物理参数，它决定了锂离子在石墨中的迁移速率和电池的充放电性能。
本文将从石墨结构、锂离子在石墨中的扩散机制以及影响锂离子扩散系数的因素等方面进行全面、详细、深入地探讨。
石墨结构
石墨是由层状的石墨烯单元组成的材料。
石墨烯由六角形的碳原子构成，每个碳原子与其它三个碳原子形成共价键，形成sp2杂化轨道。
石墨烯的层与层之间由弱的范德华力相互作用，层内的碳原子通过σ键连接，形成一个二维的晶格结构。
石墨的层状结构使得锂离子可以在其间自由穿行。
锂离子在石墨中的扩散机制
锂离子在石墨中的扩散主要是通过插层和迁移两个步骤进行的。
在插层过程中，锂离子从石墨表面进入到石墨层间的空隙中。
在迁移过程中，锂离子沿着石墨层内的通道扩散。
这两个过程是相互协调的，共同决定了锂离子在石墨中的扩散速率。
锂离子插入和迁移的速率受多种因素影响，如温度、压力、电势差等。
影响石墨锂离子扩散系数的因素
影响石墨锂离子扩散系数的因素主要有以下几个：
1. 结构缺陷
石墨中的结构缺陷可以降低锂离子的扩散速率。
例如，石墨中的晶格缺陷会形成局部扩散阻挡，使得锂离子的迁移速率减慢。
2. 温度
温度对锂离子在石墨中的扩散速率有显著影响。
通常情况下，温度越高，锂离子的能量越大，扩散速率也越快。
3. 石墨层间距
石墨层间距的大小也会对锂离子扩散系数产生影响。
层间距越大，插层过程越容易进行，锂离子的扩散速率也越快。
4. 锂离子的浓度
锂离子的浓度对其在石墨中的扩散速率有直接影响。
浓度越高，相同时间内扩散的锂离子数量越多，扩散速率也越快。
5. 粒径和形状
石墨的粒径和形状对其锂离子扩散系数也有一定影响。
通常情况下，粒径越小，表面积越大，扩散速率也越快。
锂离子扩散系数的测量方法
测量石墨中锂离子的扩散系数是研究锂离子电池性能的重要方法之一。
常用的测量方法主要有以下几种：
1. 瞬态法
瞬态法是一种常用的测量锂离子扩散系数的方法。
该方法通过测量锂离子在石墨中的扩散过程中的电导率变化，来推算锂离子的扩散系数。
2. 循环伏安法
循环伏安法也可以用来测量锂离子在石墨中的扩散系数。
该方法通过在锂离子电池中进行充放电循环，利用循环伏安曲线的形态变化来判断锂离子的扩散行为。
3. 核磁共振法
核磁共振法是一种非常精确的测量方法，可以直接观察锂离子在石墨中的扩散行为。
该方法通过核磁共振技术来测量锂离子的动力学行为，得到锂离子的扩散系数。
结论
石墨的锂离子扩散系数是影响锂离子电池性能的一个重要参数。
本文从石墨结构、锂离子在石墨中的扩散机制以及影响锂离子扩散系数的因素等方面进行了探讨。
了解石墨的锂离子扩散系数对于优化锂离子电池性能、提高电池的循环寿命具有重要意义。
通过进一步的研究和实验，我们可以更好地理解和掌握锂离子在石墨中的扩散规律，为石墨负极材料的设计和开发提供指导和支撑。