鉅大LARGE | 點擊量：1326次 | 2019年01月08日
鋰離子電池負極材料的有關研究
鋰離子電池的能量密度（170Wh/kg），約為傳統鉛酸蓄電池的3～4倍，使其在動力電源領域具有較強的吸引力。
負極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的主要因素之一，可見負極材料在鋰離子電池化學體系中起著至關重要的作用，其中研究較為廣泛的鋰離子電池負極材料為金屬基（Sn基材料、Si基材料）、鈦酸鋰、碳材料（碳納米管、石墨烯等）等負極材料。
研究表明，通過制備復合材料，可以有效抑制SnO2顆粒的團聚，同時還能緩解嵌鋰時的體積效應，提高SnO2的電化學穩定性。
Zhou等通過化學沉積和高溫燒結法制備SnO2/石墨復合材料，其在100mA/g的電流密度下，比容量可達450mAh/g以上，在2400mA/g電流密度下，可逆比容量超過230mAh/g，
實驗表明，石墨作為載體，不僅能將SnO2顆粒分散得更均勻，而且能有效抑制顆粒團聚，提高材料的循環穩定性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2011年，日本SONY公司宣布采用Sn系非晶化材料作容量為3.5AH的18650圓柱電池的負極。單質錫的理論比容量為994mAh/g，能與其他金屬Li、Si、Co等形成金屬間化合物。
該材料的首次放電比容量為636.3mAh/g，首次庫倫效率達到83.1%，70次充放電循環后比容量仍可達到511.0mAh/g。
Wang等以石墨為分散劑，SnO/SiO和金屬鋰的混合物為反應物，采用高能機械球磨法并經后期熱處理，制備了石墨基質中均勻分散的Sn/Si合金，該材料在200次充放電循環后，其可逆容量仍可達574.1mAh/g，性能優于單獨的SnO或SiO等負極材料。
硅作為鋰離子電池理想的負極材料，具有如下優點：硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲鋰比容量高達4200mAh/g（超過石墨比容量的10倍）；硅的嵌鋰電位（0.5V）略高于石墨，在充電時難以形成“鋰枝晶”；硅與電解液反應活性低，不會發生有機溶劑的共嵌入現象。
然而，硅電極在充放電過程中會發生循環性能下降和容量衰減，主要有兩大原因：硅與鋰生成Li4.4Si合金時，體積膨脹高達320%，巨大的體積變化易導致活性物質從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環性能迅速下降；電解液中的LiPF6分解產生的微量HF會腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。
Liu等通過高能球磨法制備了Si-NiSi-Ni復合物，然后利用HNO3溶解復合物中的Ni單質，得到了多孔結構的Si-NiSi復合物。
通過XRD表征可知，體系中存在NiSi合金，其不僅為負極材料提供了可逆容量，還與粒子內部的孔隙協同，緩沖硅在充放電循環過程中的體積膨脹，提高硅電極的循環性能。
Lee等采用酚醛樹脂為碳源，在氬氣氣氛下于700℃高溫裂解，制備了核殼型Si/C復合材料，經過10次循環后復合物的可逆容量仍可達1029mAh/g，表明采用Na2CO3在硅表面與酚醛樹脂間形成共價鍵，然后進行高溫裂解，可改善硅與裂解碳間的接觸，從而提高負極材料的循環性、減小不可逆容量損失。
鈦酸鋰的諸多優點決定了其具有優異的循環性能和較高的安全性，然而，其導電性不高、大電流充放電時容量衰減嚴重，通常采用表面改性或摻雜來提高其電導率。
碳納米管是一種石墨化結構的碳材料，自身具有優良的導電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。
碳納米管在負極中的另一個應用是與其他負極材料（石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等）復合，利用其獨特的中空結構、高導電性及大比表面積等優點作為載體改善其他負極材料的電性能。
碳納米管的中空結構及膨脹石墨的孔洞，提供了大量的鋰活性位，而且這種結構能緩沖材料在充放電過程中產生的體積效應。
石墨烯是一種由碳六元環形成的新型碳材料,具有很多優異的性能，如大比表面（約2600m2g-1）、高導熱系數（約5300Wm-1K-1）、高電子導電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關注。
石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料時，具有非常可觀的電化學性能。
Wang等采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區間，表現出電容器的特性。
石墨烯還可作為導電劑，與其他負極材料復合，提高負極材料的電化學性能。
近年來，鋰離子電池負極材料朝著高比容量、長循環壽命和低成本方向進展。
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