煤焦油在阳极材料中的应用

2025-03-26

石墨，作为一种商用负极材料，由于其理论容量有限，越来越无法满足对高容量负极材料日益增长的需求。如果以沥青作为锂离子电池负极的碳源，不仅可以实现沥青的高附加值利用，还为改善负极材料的电化学性能提供了一些新的方法和探索。

Li P 等人采用纳米氧化镁颗粒作为模板，以石油馏分炭作为碳源。经过液相超声分散后，在氮气保护下于800°C高温处理1小时，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）。由于超薄层片和层次分明的多孔结构，PACS为离子传输提供了更多的活性位点，在1 A g⁻¹的电流密度下进行1000次循环后，仍保持334 mAh g⁻¹的可逆容量和90%的容量保持率。

在制备过程中，交联通过空气中的氧气引入得以促进，避免了乳液中低软化点沥青的聚结，也无需后处理即可稳定其球形形态。作为锂离子电池的负极材料时，PCB的克容量在电流密度为0.05 A g⁻¹和5 A g⁻¹时分别为373.6 mAh g⁻¹和125.8 mAh g⁻¹。其容量分别为316.1 mAh cm⁻³和106.4 mAh cm⁻³。

基于沥青的碳材料可以作为负极材料，以提高沥青的价值，但由于沥青成分复杂，沥青材料本身的容量并不高，如果直接用作负极材料，需进行微结构设计，且难以实现大规模生产，成本也过高。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。

Surface coating is one of the most commonly used methods to modify anode materials in industry at present. This method forms a layer of amorphous carbon on the surface of materials by solid phase, liquid phase or gas phase carbonization to build a “core-shell structure”.The “shell structure” of the surface can effectively restrain and buffer the volume expansion or structural damage of the active center of the negative electrode material, while increasing the compatibility with the electrolyte and maintaining the stability of the electrode material

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间剥离和结构破坏，石墨与电解液的兼容性差，石墨中锂离子的化学扩散系数较小。为了解决这些问题，需要对石墨进行改性。作为改性石墨的常用碳源，瀝青已受到研究人员的广泛关注。

基于炭材料的阳极材料在材料结构和制备方法上有所创新，与石墨基阳极材料相比，其容量和倍率性能实现了重大突破，但充放电电压滞后现象严重，能量密度降低，难以实现大规模生产；然而，对沥青涂层的改性机制仍不清楚，进一步提高材料性能以及保持改性材料性能的一致性仍不明确，具有较大的技术提升空间。

虽然沥青在工业中被广泛应用，但由于沥青原材料的来源复杂以及加工工艺的不同，沥青的组成和结构也非常复杂。在生产过程中，由于原沥青的筛选时间较长，筛选过程中不稳定导致成本增加及成品的一致性较低。因此，开发用于锂离子电池负极材料的特殊沥青以及快速检测沥青的方法，也成为后续沥青改性负极材料的研究重点。