鋰電池

鋰離子電池是一種可循環使用的儲能設備，也被稱為鋰離子二次電池，由正極、負極、隔膜和電解液體系組成。這種電池的特點是能量密度相比較其他一次電池而言能量密度高，沒有記憶效應以及低的自放電。鋰離子電池負極材料骨料主要分為人造石墨和天然石墨。其中人造石墨的原料是以油系和 煤系針狀焦為主。

Sony公司商業化應用的鋰離子電池負極材料正是石油焦炭材料。以針狀石油焦為代表的優質石油焦具有低熱膨脹系數、低空隙度、低硫、低灰分、低金屬含量、高導電率及易石墨化等一系列優點，所以被視為優質的鋰離子電池負極材料原料。

優質石油焦應用于鋰離子電池負極材料，一般需要純化、粉碎和粒徑篩分、石墨化、表面修飾等過程。整個流程比較長，最終效果的影響因素比較多。最受關注的幾個問題是：

（1） 炭材料結構隨溫度變化的機理；

（2） 負極材料性能與炭材料結構的關系；

（3） 有沒有適合的炭材料滿足動力鋰離子電池負極材料的需求？

本論文將對這幾個方面的研究進行綜述，最后對適用于負極材料的石油焦炭材料的結構特點以及未來石油焦類負極材料的發展趨勢進行討論。

1 優質石油焦后處理溫度對其性能的影響

優質石油焦的后熱處理分為兩個階段： 煅燒和高溫石墨化。煅燒指的是1500℃以下的煅燒過程，高溫石墨化是指接近3000℃的高溫處理過程。

延遲焦化工藝生產的優質石油焦經過回轉爐煅燒，水分和揮發分顯著減少，運輸和儲存都更方便。在石墨化過程中，石墨化溫度是一個很關鍵的因素，影響優質石油焦石墨化程度。

劉春法等人通過循環性能、充放電特性和循環伏安曲線等方法分析，研究了煅燒溫度對針狀石油焦制鋰離子電池負極材料電化學性能的影響。在700～ 1000℃的范圍內，溫度越高，炭化樣品石墨層間距越小，樣品的結構有序度增加，這個時期的焦炭可以被稱為軟碳。該溫度下處理的樣品，首次電容量高于石墨的理論電容量372 mAh／g。但是針狀石油焦制鋰離子電池負極材料難以獲得穩定的充放電電位，循環性差。

該課題組進而將最高炭化溫度擴展至2800℃，研究了熱處理過程中石墨微晶結構的變化規律及其電化學性能。論文指出，當溫度達到 2800℃，處理完的針狀石油焦樣品已經接近純石墨。電池充放電實驗結果表明，該樣品穩定嵌鋰容量可以達到300 mAh／g，而且具有穩定的充放電平臺。不同的軟碳結構，石墨微晶結構隨溫度變化程度不同。

牛鵬星等人，將針狀石油焦和瀝青焦2800℃石墨化之后，發現石墨化針狀石油焦經反復充放電 40次后，其嵌鋰容量能穩定在301mAh／g，而石墨化瀝青焦卻只有240mAh／g。這是因為針狀石油焦的原料經過純化，焦化過程中能夠形成廣域中間相，最終針狀石油焦更容易石墨化，石墨化程度更高。

所以，石墨化溫度對材料性能的影響和材料本身的結構也有關系。焦炭材料的電容量性能與處理溫度和內部結構關系如所示，兩圖也可以解釋上面的現象。