中國粉體網訊 負極材料是鋰離子電池的關鍵組成部分，對鋰離子電池性能有著重要影響。研究發現，負極材料的造粒方式對其性能有較大影響。
研究人員以煤系針狀焦為原料，經破碎、石墨化得到一次顆粒負極材料，對石墨化機理及儲鋰機制進行研究，結果表明，一次顆粒負極材料的首次庫倫效率為84%。雖然以針狀焦為原料的一次顆粒負極材料具有較高的容量，但由于針狀焦特有的流線型纖維結構使其在各個方向上的取向度不同，單采用針狀焦制備的一次顆粒負極材料在電化學性能方面仍存在一定缺陷，容易造成電池膨脹，且倍率性能一般，首次庫倫效率較低，在工業生產中會導致大量消耗正極材料，從而增加成本。目前，負極材料制備工藝逐漸改進，以改善負極材料的加工性能、首次庫倫效率及倍率性能。
人造石墨（圖片來源：貝特瑞網站）
二次造粒有利于提高負極材料性能。二次造粒工藝是將骨料粉碎獲得小顆粒基材后，使用瀝青作為黏結劑，根據目標粒徑的大小，在反應釜內進行二次造粒，經過后續石墨化等工藝，獲得成品二次造粒負極材料。對單顆粒負極進行二次造粒工藝，可以豐富Li+在晶格內嵌脫的通道數量，進一步提升負極材料的倍率性能及低溫性能。小顆粒比表面積大，鋰離子遷移通道多、路徑短、倍率性能好，大顆粒壓實密度高，容量大。二次顆粒負極材料可以兼顧大顆粒和小顆粒的優點，成為容量高、倍率性能好的負極材料。此外，利用造粒工藝形成的二次顆粒負極材料可增加負極材料的各向同性，改善電池的首次庫倫效率和倍率性能。
1、不同黏結劑量下二次顆粒人造石墨負極材料性能分析
研究者以煤系針狀焦生焦為原料、自制高性能煤瀝青為黏結劑，對針狀焦生焦進行造粒加工處理，制備具有高能量密度和倍率性能的二次顆粒人造石墨負極材料。采用不同的分析方法，對黏結劑瀝青添加量分別為5%（質量分數，下同），8%和12%時二次顆粒人造石墨負極材料的理化指標和電化學性能進行分析。當黏結劑瀝青添加量為8%時，造粒工藝效果最為理想，原料單顆粒在黏結劑瀝青的作用下聚集而成的二次顆粒量最多，相較于其他黏結劑瀝青量下制備的人造石墨負極材料，該條件下制備的人造石墨負極材料的粒度和振實密度有明顯的提高。在電化學測試方面，8%CP-AG在0.1C電流密度下的首次充電比容量和首次庫倫效率分別為345.7mAh/g和95.6%，均高于5%CP-AG和12%CP-AG的首次充電比容量和首次庫倫效率；在倍率性能測試中，8%CP-AG在1C和2C電流密度下也展現出較高的倍率充放電能力。將煤瀝青轉化成針狀焦和黏結劑瀝青，制備成二次顆粒人造石墨負極材料，保留了一次顆粒負極材料高容量的優勢，同時彌補了一次顆粒在倍率性能方面的不足，還可以實現煤瀝青的高附加值利用。
2、單顆粒人造石墨負極材料與二次顆粒人造石墨負極材料對電池性能的影響
為優化功率型鋰離子電池的性能，研究人員以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）/石墨體系方形電池為對象，對比兩種不同功率型負極材料（單顆粒人造石墨和二次顆粒人造石墨）的理化差異，分析兩種負極材料對電池電化學性能的影響。
單顆粒人造石墨（a）和二次顆粒人造石墨（b）SEM圖
研究人員分別從理化指標、電化學阻抗、直流內阻、不同溫度恒功率充放電、低溫脈沖放電、倍率性能、循環性能、高溫存儲性能等方面對負極材料及組裝的電池進行分析。分析認為，二次顆粒人造石墨負極材料的粒徑分布更窄，提升了動力學性能，并具有更低的阻抗特性，在室溫條件下，制備的電池的充放電直流內阻比單顆粒人造石墨負極材料制備的分別降低16.58%和13.96%。二次顆粒人造石墨負極材料大電流充放電性能及低溫性能更好，在恒功率充放電、低溫脈沖放電及倍率性能測試中表現更出色；常溫下以3.00C在2.8V-4.2V循環2500次，容量保持率為86.7%，較單顆粒人造石墨負極提高1.5%。二次顆粒人造石墨負極材料由于比表面積增大，高溫存儲性能略有下降，滿電存儲30d后，殘余容量及恢復容量分別比單顆粒人造石墨負極低1.4%和1.5%。
小結
對于負極材料而言，其粒度、形貌、比表面積、石墨化度、振實密度等都會影響鋰離子電池性能。不同的造粒方式會對負極材料及鋰離子電池性能產生一定影響，通過對比分析，相對于單顆粒負極材料，通過二次造粒工藝制備的二次顆粒負極材料在性能上更加優越，同時也說明正確評估材料的特性并合理選材，對于鋰離子電池性能優化也非常重要。
參考來源：
1、郭明聰等.二次顆粒人造石墨負極材料的制備及儲鋰性能
2、王紀威等.二次造粒石墨對鋰離子電池性能的影響
3、孫世敏等.小粒徑石墨顆粒對鋰離子電池性能影響研究
4、劉海豐等.人造石墨用于鋰離子電池負極材料的性能分析評價
（中國粉體網編輯整理/文正）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！
