问京京 杜柏林
陕西榆能集团能源化工研究院有限公司 陕西省榆林市 719000
摘要：锂离子电池作为具备可充电特征的电池，在电动车以及电子设备中有着显著效用。然而，其石墨负极材料衰减造成电池性能下降。在此之上，本文简要分析了锂离子电池石墨负极材料衰减机理的要素，并从应用阳极预锂化技术、掺入石墨烯导电添加剂、创新材料储锂机理方式等措施予以论述，维持电池容量，使其拥有更持久的使用年限。
关键词：锂离子电池；石墨负极材料；衰减机理
前言：根据相关调查：锂离子电池概念最早出现在1970年，因其能够循环存储电能，故而在我国交通以及航天军事领域中具有广泛应用。通常情况下，其充放电效率可达到90%。随着使用时间的延长，锂离子电池石墨负极材料在其导电过程中易呈现衰减趋势，由此削弱性能，若能予以维护，可强化应用效果。
一、锂离子电池石墨负极材料衰减机理的要素
（一）电池裂纹体积改变
锂离子电池使用的的石墨负极材料，随着使用年限的增加，其表面将表现出裂纹现象。结合相关学者的研究成果：在锂离子电池反复充电200次以后，将开始由原有的完整度成为带有裂纹的材料，甚至在充电次数上升的情况下，电池本身的体积也会随之变化，直至充电800次，裂纹深度得以扩增。因此，为了控制裂纹外拓趋势，应对石墨负极材料进行有效保护，延缓衰减速度。
（二）电池石墨化度下降
由于锂离子电池能够反复充电使用，这就造成石墨负极材料在充放电中，呈现石墨化度下降趋势，其下降规律即为容量上升时下降率升高，这主要源于石墨负极材料掺入物的性能导致石墨化度不一致。此时可从掺入物的调节上，保证石墨负极材料尽管多次充放电，也依旧能够维持原有的石墨纯度。
（三）表面膜接触损失
1.表面膜损失
锂离子电池在循环使用阶段，其负极材料会在电解液反应下满足充放电需求。此时会形成产物膜，此膜在不同温度条件下，也会产生不一致性能。特别是在放电中，会因放热反应导致电池内部环境处于升温状态，继而影响产物膜稳定性。
2.接触损失
石墨负极材料在锂离子电池反复充电时，会不断进行出入操作，在其嵌入以及脱离过程中，易因材料接触，出现衰减问题。好比材料内部碳颗粒以及粘结剂之间的相互摩擦，破坏了原有材料容量。
3.金属锂损失
石墨负极材料在锂离子电池中占据着重要作用。而在电芯内部常包含金属锂。尤其在循环使用中，金属锂将面临一定损失，在氧化中从电池表面析出。据此，若反复析出金属锂，将致使电池负极材料遇到衰减风险[1]。
二、锂离子电池石墨负极材料衰减机理优化路径
（一）应用阳极预锂化技术
阳性预锂化技术的应用能够实现石墨负极材料金属锂的有效保留，促使反复充电阶段，锂离子电池能够拥有良好的循环性能，继而削弱衰减机理产生的不利影响。
本文中提到的预锂化技术中的“预锂”主要指的是锂离子电池中的电池容量在此项技术的参与下，能够限制锂离子的消耗，防止在锂离子锂化状态下，而无法保持原有的电池容量，此阶段即为预锂化。
从以往电池正极采用磷酸铁锂材料中可了解到，锂离子在其充放电操作中，并不能完全返回原始渠道。
而石墨负极材料相比之下，锂离子能够经由电解液成为SEI膜，继而促使充电效率有所提高。从原有的88%上升为92%，致使锂离子电池负极材料在石墨材料与正极材料的双重保障下，减小容量消耗量。为了进一步防止石墨负极材料发生锂离子损失问题，可借助阳极预锂化技术预先在负极形成一层膜，有效控制电池容量的损失。基于此，应善于借助多样预锂化技术，促使电池容量得以保存。常见方法包括提前化成法、三层电极法、喷涂锂粉法，可选择恰当的预锂化方式，促使锂离子电池在一定条件下保持较高的使用年限。
（二）掺入石墨烯导电添加剂
锂离子电池在制作阶段，为了促使它具有优良导电性，常需要在负极材料中掺入部分导电添加剂，这样方可强化导电效果。而在以石墨作为负极材料的锂离子电池中，可充分运用石墨烯作为导电剂，既能增加锂离子传递速度，又能维护电池性能的稳定性。所以在负极材料中可运用石墨烯代替传统碳黑添加剂，便于优化电池内部锂离子分布均匀性。一般而言，导电添加剂可对电池的导电性以及电解液浸润水平有密切关联。故而可以石墨烯为主。石墨烯的应用最早可追溯至2004年，经过对石墨烯的获取，可发现：将其掺入石墨负极材料中，可促使正负极与电解液形成充分接触。综合相关调查结果，石墨烯可通过片状结构，使其形成孔道，这样可实现石墨材料的完全接触，降低导电阻力[2]。
此外，石墨烯作为添加剂与传统导电剂相比，还有利于扩大锂离子的储存空间，相关人员可针对石墨烯性能予以改造，进而为石墨负极材料的应用给予保障。尤其是在电池容量上。与人造石墨相比，掺入石墨烯后的材料，不宜出现粘结现象，保证负极材料能为锂离子的传递创造有利条件，改性后形成的负极材料，还能增加锂离子电池可循环次数，故而掺入石墨烯导电剂具有实践价值，可减缓其衰减速度。
（三）创新材料储锂机理方式
1.纳米孔
锂离子电池在以石墨作为负极材料时，结合上文中提到的衰减机理。为了延缓裂纹等不良现象，可针对储锂机理予以创新，在增加电池容量的基础上，也能构建可靠的储锂膜，以便在新增的储锂空间内，为负极材料的性能维护起到促进作用。本文主要以两种储锂机理为主。其中纳米孔是指负极材料在烧结条件下形成的孔道，可供电池多余锂离子提供储存空间，这样才能有效防止锂离子的析出。结合相关研究结果，此种储锂机理方式的应用，可促使石墨负极材料的容量从每克372mAh上升为405mAh，纳米孔的增加，致使原有石墨负极材料除了原有的石墨储锂层外，有了更广阔的储锂空间。然而，此项研究依旧缺乏实践依据，应对其实施深度分析，由此验证可行性[3]。
2.石墨层
锂离子电池中为了控制负极材料的日益衰减，还可借助石墨层的储锂方式，优化导电性能。其中石墨层多以化合物的形态展示，以碳元素、锂元素为具体结构。关于它的化学式则为LixC6，x即代表石墨负极材料中碳元素的实际类别。通常在电解液的刺激下，锂离子会随着石墨材料的碳元素变化而发生相应变化。X的变化范围在0-1之间。若达到1，其电池中的负极材料容量将表现为每克372mAh。从以往材料特性分析数据可了解到：石墨负极材料形成的石墨层未能产生较大的凝结力。若能掺入锂离子形成全新的石墨层，可保证石墨层在新形成的化合物辅助下，产生突出的凝聚力。基于此，电池中的电芯结构在氧化过程中，可依靠石墨层中的化合物，严控金属锂析出量。尤其在放电阶段，为了防止锂离子电池遇到金属锂大量析出问题，可凭借石墨化合物层，巩固电池导电性。此外，关于石墨层的形成，部分学者还曾提出掺入铜元素等材料，这种掺入其它导电金属的方式，也会适当优化锂离子的析出过程，促使电池拥有稳定的充放电状态。纵观多种掺入元素的改善效果，镍元素本身的应用，可更为有效的延缓锂离子的析出速率。所以，应针对负极材料进行改良设计，使之在发挥导电作用时，也能实现无效衰减。
结论：综上所述，锂离子电池在石墨负极材料的辅助下，能够顺利供电。但在电池使用阶段，在电池体积变化、表面膜接触以及石墨化度下降情况下出现衰减。此时，若能充分应用阳极预锂化技术、在电池石墨负极材料内掺入石墨烯，并创新储锂机理方式，可有效控制其衰减水平，实现锂电池电池的良性推广。
参考文献：
[1]殷志刚,王静,曹敏花.锂离子电池石墨负极材料衰减机理研究[J].新能源进展,2021,9(02):158-168.
[2]刘学伟. 锂离子电池负极材料的改性及电化学性能研究[D].中国石油大学(华东),2018.
[3]赵鹤,韩策,程小露.采用阳极预锂化技术的锂离子电池高倍率老化容量衰减机理研究[J].储能科学与技术,2021,10(02):454-461.