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石墨化度与锂离子电池

提供来源:X射线衍射仪XRD-6100 岛津X射线荧光光谱仪 光谱仪 日期:2018年03月23日
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。
负极材料是锂离子电池的四大关键材料之一,约占整个电芯成本的15%。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。
 
石墨的嵌锂机理大致为,锂离子嵌入石墨层间后,形成嵌锂化合LixC6(0≤x≤1),理论容量可达372mAh/g( x=1)。
 
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石墨的晶体结构
石墨的晶体结构为密排六方结构P63/mmm空间群,具有典型的层状结构特征。在石墨层面内,碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸,层面间每个碳原子与其相邻的三个碳原子以sp2杂化的dσ键结构形式存在,结构相当稳定;在石墨层与层之间,碳—碳之间仅以弱的范德华力(Van der Waals)结合,层面间距大约为0.34nm,由于石墨层间的结合力薄弱,且空间较大,容易插入其它金属或非金属分子、原子、离子或离子团,形成石墨层间化合物。
 
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石墨的分类
石墨可以分为天然石墨和人造石墨。天然石墨一般都以石墨片e、石墨片麻岩、含石墨的片岩及变质页岩等矿石出现。而人造石墨则是以粉状的优质煅烧石油焦为原料,在其中加入沥青作为粘结剂,以及其他辅料后,压制成形,在2500~3000°C、非氧化气氛中处理,使之石墨化。
 
天然石墨和人造石墨,在晶体结构、组织结构、物理形态、理化性质等方面都有所差别,由此影响到了相关的应用。
 
石墨化度是衡量碳镏蚀游薅ㄐ翁纪ü峁怪嘏牛渚褰咏昝朗某潭取J潭鹊母叩停梢宰魑欠衲芄怀晌胱拥绯馗杭牧系谋匾跫送馐潭鹊母叩投蕴几杭某浞诺缛萘恳灿杏跋斓鹊取Ⅻ/div>
 
石墨化度的测试可以使用X射线衍射法(XRD法)Р馐浴J紫炔舛ㄊ?002)晶面间距d002,然后使用富兰克林公示 (Mering-Maire公式)计算:
G = (0.3440– d002) / (0.3440 – 0.3354) × 100%,式中G为石墨化度%,0.3440为非石墨化炭的层间距nm,0.3354为理想石墨晶体的层间距 (六方晶系石墨cУ阏蟪J囊话?nm,d002为炭材料(002)晶面的层间距nm。
 
需要注意的是,为了获取更精准的d002值,通常会掺入Si粉对衍射角度进行校正,以减小误差。
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岛津提供的解决方案
岛津公司的X射线衍射仪XRD-6100,秉承日本工匠精神,做工精良,a作简便,本质安全,维护成本低,适用于锂电池企业及科研单位,完成石墨化度的测试及其它测试项目。
 
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