以碳粉为负极材料制备锂离子电池及电池性能测试

赵 君，单琬斐，夏心贝，王 旗

（东北大学，辽宁 沈阳 110819）

近年来，随着集成电路和电子信息技术的飞速发展，各种便携式电子设备（如手机、笔记本电脑等）逐渐得到推广普及，对化学电源的小型化和高能化提出了更高要求。自1990年日本SONY公司率先推出不含锂金属的商品化可充锂离子电池以来，锂离子电池因其优良的电化学性能而成为化学电源研究领域的热点之一，引起了世界各国的广泛关注和研究开发。与传统的化学电源如碱性锌锰电池和铅酸电池等相比，锂离子电池具有电压高、比能量高、自放电率低、循环性能好等优点，其应用前景十分广阔，在今后相当长的时间内锂离子电池技术将是发展迅猛的可充放二次电池。

电极是锂离子电池的核心部件，而电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素，研究高性能电极材料对高性能锂离子电池的研究和应用具有重大意义，高稳定性、高安全性、长寿命、低成本的新型锂离子电池负极材料显得尤为重要。本文利用碳为锂离子电池负极材制备了锂离子电池，并测试分析了性能。

1 实验内容与步骤

1.1 锂离子电池的组装

按801010（wt%）称取所制备的活性物质碳、乙炔黑、粘接剂CMC，先将CMC溶解在去离子水并充分搅拌，将碳、乙炔黑混合研磨后，加入到CMC溶液中，充分混合调至糊状后将其均匀地涂布在铜箔上，然后于真空干燥箱中80℃干燥12h后取出，裁成直径为15mm的圆片。

以金属锂片为正极，Celgard2400微孔聚丙烯膜为隔膜，以泡沫镍为支撑材料，以1mol/L LiPF6/EC＋DMC＋EMC（111体积比）为电解液，在充满氩气的手套箱中组装成CR2016型扣式电池，结构如图1所示。电池静置一段时间即可测试。

图1 锂离子电池结构图

1.2 锂离子电池充放电性能的测试

（1）采用恒流充放电的模式对电池的充放电性能测试，测试仪器采用科晶八通道电池性能测试系统；

（2）置实验参数：

锂离子电池：以C/6（每6小时半循环）恒流放电至0.01V，同样电流恒流充电至3V，循环次数设为30次；

图2 电池充放电电压－时间曲线

图3 电压－容量曲线

2 电池性能测试的结果及分析

图2显示的是电池在电压为0.001～3.0V之间，充放电速率是C/6下，电池的循环性能曲线。说明碳作为锂电池负极在横流充放电下的循环性能稳定。图3所表示的是电池在第一、第二、第五、第三十次充放电的电压－比容量关系图。从放电曲线可以看出，该电池初始放电容量1341mAh，在第二次、第五次和第五十次放电时，可逆容量分别为1285mAh/g、1205mAh/g和1137mAh/g。

图4是电池的放电容量和循环次数的关系图。随着充放电次数的增加，电池的放电容量逐渐下降。但是，虽然经过了50次的充放电，电池的放电容量仍然保持在1137mAh。由此可见，碳作为锂电池负极的优越性。

图4 循环性能曲线

图5 效率曲线

图5 是电池在C/6时的库伦效率和循环次数关系图，从图中可以看出，除了第一次充放电的库伦效率略低一点外，在之后的充放电循环中，该电池的库伦效率都很高，约为98%～100%。初始库伦效率略低的原因可能与SEI的形成有关。

根据以往的报道以及以上的结果及讨论，以碳为负极的锂电池反应式：

碳材料的优点是具有高比容量（300mAh·g－1～400mAh·g－1），低的电极电位（＜0.5Vvs.Li/Li＋），高的循环效率（＞95%），长的循环寿命。层状结构，非常适合Li＋的嵌入和脱出。碳材料是目前的锂离子电池的主要负极材料。

3 结 论

文章以碳为负极材料，涂膜制备了负极片，以锂片为正极片制备了CR2016锂离子电池，并对其性能进行了测试。制备电池可逆容量为1342mAh，循环50次后，容量下降为1137mAh，平均每个循环下降0.31%。验证了碳为锂离子负极材料电池容量大，循环性能好、性能稳定的优点。

［1］Akkisetty Bhaskar，Melepurath Deepa，T.N.Rao，U.V.Varadaraju.Enhanced nanoscale conduction capability of a MoO2/Graphene composite for high performance anodes in lithium ion batteries［J］.Journal of Power Sources，2012，16（2）：169－178.

［2］Gil－Pyo Kim，Inho Nam，Nam Dong Kim，Junsu Park，Soomin Park，Jongheop Yi.A synthesis of graphene/Co3O4thin films for lithium ion battery anodes by coelectrodeposition［J］.Electrochemistry Communications，2012，2（2）：93－96.

［3］Lili Xing，Chunxiao Cui，Chunhua Ma，Xinyu Xue.Facile synthesis ofα－MnO2/graphene nanocompos－ites and their high performance as lithium－ion battery anode［J］.Materials Letters，2011，65：2104－2106.

［4］王骥，黄慧，甘乐等.手机锂电池充放电过程的研究.大学物理实验［J］.2009（12）.

［5］高云霄，赵东林，白利忠，张霁明，张凡，谢卫刚.石墨烯用作锂离子电负极材料的电化学性能［J］.中国科技论文，2012，7（3）：201－205.

［6］赵阳，黄英，王秋芬，等.石墨烯及其复合材料作为锂离子电池负极材料的研究进展［J］.材料开发与应用，2012，34（6）：96－101.