煤焦油在阳极材料中的应用

2025-03-26

石墨作为商业阳极材料，因其理论容量有限，越来越无法满足日益增长的高容量阳极材料需求。如果将沥青作为锂离子电池阳极的碳前驱体，不仅可以实现沥青的高附加值利用，还可以为改善阳极材料的电化学性能提供一些新的方法和探索。

李P等人使用纳米氧化镁颗粒作为模板，使用石油沥青作为碳源。经过液相超声分散后，在氮保护下于800℃高温处理1小时，随后通过酸洗去除模板，制备出具有独特空心结构的超薄空心结构多孔碳壳（PACS）。由于超薄片层和分层多孔结构，PACS为离子运输提供了更多活性位点，在1 A/g的电流密度下经过1,000次循环后可逆容量为334 mAh/g，容量保持率为90%。

在制备过程中，氧气的引入促进了交联，避免了乳液中低软化点沥青的合并，而不需要后处理来稳定其球形形态。当用作锂离子电池的负极材料时，PCB在0.05 A/g和5 A/g的电流密度下的克容量分别为373.6 mAh/g和125.8 mAh/g，容量分别为316.1 mAh/cm³和106.4 mAh/cm³。

基于沥青的碳材料可以用作负极，以提高沥青的价值，但由于沥青的成分复杂，沥青材料本身的容量不高，如果直接用作负极材料，需要进行微观结构设计，并且大规模生产困难，成本过高。因此，沥青通常在生产过程中作为改性材料使用，以实现沥青的高附加值利用。

表面涂层是目前工业中修改阳极材料最常用的方法之一。该方法通过固相、液相或气相碳化在材料表面形成一层无定形碳，以建立“核壳结构”。表面的“壳结构”可以有效抑制和缓冲负极材料活性中心的体积膨胀或结构损伤，同时增加与电解液的兼容性，保持电极材料的稳定性。

石墨作为锂离子电池的负极材料仍然存在许多问题，例如在充放电过程中，锂离子的嵌入和脱嵌导致石墨的层状剥离和结构破坏，石墨与电解液的兼容性差，锂离子在石墨中的化学扩散系数小。为了解决这些问题，需要对石墨进行改性。作为改性石墨的常见碳源，沥青受到研究人员的广泛关注。

基于沥青的负极材料在材料结构和制备方法上有一些创新，与基于石墨的负极材料相比，其容量和倍率性能有了重大突破，但充放电电压滞后现象严重，能量密度降低，且难以大规模生产；然而，沥青涂层的改性机制仍不清楚，进一步改善材料性能并保持改性材料性能的一致性仍然不明确。技术改进的空间较大。

尽管沥青在工业中被广泛使用，由于沥青原材料来源复杂和加工技术差异，沥青的组成和结构也相对复杂。在生产过程中，由于原料沥青的筛选时间较长，筛选过程的不稳定性导致成本增加和成品一致性差。因此，开发专用的锂离子电池负极材料沥青与沥青的快速检测也是后续沥青改性负极材料的重点。