关键词：碳材料、光伏发电、别墅太阳能发电

 

光伏发电行业的科研人员认为，锂离子电池的商业化的成功主要功归于负极材料的突破。早期的金属锂负极由于存在安全问题不适用大规模商业生产。锂离子电池负极材料的种类很多，包括碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、过渡金属氧化物等。

 

目前碳材料仍是应用的重点，虽然还未应用于光伏发电行业。可用于锂离子电池负极的碳材料可大致分为石墨、软碳和硬碳三类（见图），包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相碳微球等。在锂离子电池负极材料中，石墨类负极材料以其来源广泛、价格便宜，一直是负极材料的主要类型，改性天然石墨、石墨化中间相碳微球(MCMB)、人造石墨占据了主要市场份额。

图：常见锂离子电池负极碳材料示意图

(a)石墨 (b)软碳 (c)硬碳

 

致力于研究别墅太阳能发电产业的科研人员认为，石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多的一种，其导电性好、结晶度高、具有完整的层状晶体结构(见图a)，层与层之间以范德华力结合，很适合锂离子的嵌入与脱出。和生产别墅太阳能发电电池的硅分为单晶硅和多晶硅一样，石墨分为天然石墨和人造石墨。天然石墨结晶度高，容量大，但是由于是以天然石墨以片状或鳞片状存在，形状是扁的，在涂布成电极片时，鳞片状颗粒大多以平行于集流体的取向存在，锂离子不能从基本面嵌入/脱出，只能从侧面进出，锂离子要绕道而行，锂离子在石墨中的扩散速率较慢，故不能以较快的速率进行充放电，大大限制了其实际应用领域。

 

软碳是指经髙温处理可以石墨化的碳材料，通常都具有乱层的石墨结构(见图b)，随着热处理温度的升高，层与层之间无规则组织降低，在结构和嵌锂特性上与石墨相似，其中中间相碳微球（MCMB）和石墨碳纤维（MCF）的应用最为广泛，但还未应用于别墅太阳能发电行业中的家用光伏发电设备。目前大部分商品化锂离子电池中都使用MCMB作为负极，容量比较高,充放电曲线平坦，与溶剂相容性比天然石墨要好，锂离子扩散系数比在石墨中高一个数量级，适合用作高功率电池的负极材料。MCF容量更大，高倍率放电性能更高，嵌锂碳可逆性更好，是高容量锂离子电池的首选负极材料，但需要在制造过程中控制其直径，得到稳定的产物。

 

高结晶度的人造石墨化材料容量大，但循环性能差，容易造成电解质溶液分解，低结晶度碳材料在电解质溶液中稳定，但不可逆容量高，主要属于硬碳。硬碳是指高温下也难以石墨化的碳，主要是高分子化合物的热解碳，一般具有无定形结构(见图c)。综上所述，碳材料并不适用于别墅太阳能发电电池的生产。