结构不同类型碳在石墨电池电极中的性能比较

近年来，由于环保和电子驱动汽车的发展，以及移动电话、平板电脑和其他便携式电子设备的使用，对电池的需求不断增加。因此，开发新的、更强大、更高效的电池变得越来越重要。

在电池材料的制造过程中，控制颗粒的大小和形状已经被认为是至关重要的，因为形状不规则的颗粒往往会降低堆积密度，并促进高粘性电极浆的形成。亚博网站下载yabo214

然而，本文将对此进行探讨碳微观结构对锂离子电池性能的影响，以及Morphologi G3-ID如何帮助开发和生产新型高效碳电池电极。

锂离子电池

锂离子电池的结构如图1所示。它是一种用于驱动便携式设备的标准电池，通常包括金属氧化物阴极、石墨阳极和电解液，电解液是在非水溶剂中混合的锂盐。

图1所示。锂离子电池结构。

碳材料用于制造锂离子电池的石墨电极。其结晶度、微观形貌和微观结构直接影响电池的效率。为了给电池充电，通过外部电源施加过电压，从而迫使锂电池⁺离子插入到阳极的石墨层中(图2)。

图2。插入石墨。

这种插层改变了石墨层的堆叠顺序，增加了堆叠距离，从而增加了系统的势能。一旦过电压完全消除，电池将开始放电从这个高能量状态，即，锂⁺离子将从石墨层移出，并通过电解液传输到金属氧化物阴极。这种阴极进入更高的氧化态。这种电荷的转移导致了电流的流动，并产生了为设备供电所需的电能。

电池的能量依赖于电解质和电极之间的反应速度，而储能能力依赖于电解质的体积，以及电极中可以存储的电荷量。换句话说，增加黎族遗址的数量很重要⁺离子可以插入，这些离子必须很容易地进出石墨层。这确保了充放电反应发生的速度是不受限制的。因此，这是重要的，李⁺离子具有良好的能量存储能力，同时也能高效地产生所需的能量和充电。

有能力容纳黎族的地点的数量⁺离子在很大程度上取决于碳的微观结构和结晶度。具有高结晶结构的石墨将含有一个锂元素⁺每个C₆．石墨型结构，存储容量小于1 Li⁺对于每一个C₆被称为低比电荷(LSC)碳，而含有一个以上Li⁺每个C₆被称为高比电荷(HSC)碳。

由于无序碳中的交联碳片容易阻挡Li插入所需的堆垛层的移动，因此在LSC碳的下方存在高度无序碳，如焦炭、炭黑等⁺离子。结晶度越大，结果则相反。然而，应该注意的是，碳电极的电化学行为并不总是遵循这一规则。高无序碳和合成非石墨碳都具有较高的可逆性。

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石墨的拉曼光谱

只有一个拉曼激活模式(E_{2 g}模式)在纯石墨和结晶石墨中观察到，在约1580厘米的拉曼光谱中只看到一次转变^－1．这被称为石墨带，或G带，但当晶格不完美时，固态拉曼的选择规则就会打破，在1310厘米左右可以看到一个额外的模式^－1到1360厘米^－1，根据激光的波长。这被称为无序带，或D带，可以归因于分子振动成为拉曼活性，因为结晶度的破坏。

石墨结构越无序，D带强度越强。因此，G/D带比可以代表石墨的结晶度。有一种假设，如果比例越高，材料的结晶性越好。非晶态碳在形态学G3-ID测定的光谱中没有拉曼跃迁。因此，拉曼光谱为确定石墨的各种结构形式提供了一种合适的方法。

Morphologi G3-ID

Morphologi G3-ID能够与内置的拉曼探针集成自动静态显微镜，从而使该系统能够从化学和形态学上定义样品。形态学研究揭示了单个粒子的物理和外部结构，而化学测量则描述了单个粒子的内部组成，从而实现了完整的识别。

在该分析中，首先使用Morphologi G3-ID的自动样品分散单元对商业可用的石墨样品进行干燥分散。该装置允许样品的重复性和再现性测量。对样品中的9000个粒子进行自动图像分析，从而创建一个完整的形态轮廓，用于指导后续的拉曼分析。yabo214然后对整个粒子种群的一个代表性样本进行拉曼测量，即500个粒子的子集。yabo214

随后，根据产生的拉曼光谱对每个粒子的结构进行评估，然后测量粒子内的结晶度。根据其结晶度，每个粒子被划分为一类。在石墨材料中，存在着三种类型的碳——无定形碳、有一定无序度的石墨和高度结晶的石墨。图3中的示例粒子图像显示了这一点。

图3。Top -示例粒子图像的每个碳类;底部拉曼光谱与3类碳有关。

图4。根据拉曼光谱鉴定的类别，碳样品的组成(按体积)。

超过一半的碳样品含有一定程度的无序石墨(碳1)，如图4所示。其中约15%被发现是高结晶石墨(碳2)，约30%的样品被观察到是无定形碳，没有任何拉曼信号。接下来，对通过拉曼光谱研究得到的所有500个粒子的形态信息进行查询，如图5和表1所示。yabo214

图5。样品中各碳类的顶体积大小分布;底部- HS循环的三个碳类。

表1。每个碳类的尺寸和形状参数的总结

样品名称	平均粒径(µm)	HS循环的意思
无信号(非晶碳)	53.35	0.746
碳1(无序石墨)	42.21	0.811
碳2(结晶石墨)	33.99	0.792

结果表明，高晶态石墨颗粒(碳2)的平均粒径最小，而非晶态碳颗粒粒径较大，但圆度较低。yabo214关于不同种类碳的形态数据可以用来检测和过滤锂离子电池的首选碳颗粒，这需要更有序的结晶石墨。yabo214也可以用这些数据来测量商业上可用的石墨的来源。例如，开采的碳含有更多的结晶石墨，而乙炔氧化产生的碳富含无定形碳。

结论

本文展示了Morphologi G3-ID的集成拉曼探针如何有效地用于检测石墨基电池电极样品中的不同类别的碳。这些数据，结合从相同的方法获得的形态信息，促进了电池电极的开发和制造，在成本效益和时间效率的方式。

这些信息已经从Malvern Panalytical提供的材料中获得，审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问莫尔文Panalytical．