钜大LARGE | 点击量：5325次 | 2018年10月12日
锂电池负极材料性能、优缺点及改进特性分析介绍
锂电池首要负极资料有锡基资料、锂基资料、钛酸锂、碳纳米资料、石墨烯资料等。锂电池负极资料的能量密度是影响锂电池能量密度的首要因素之一，锂电池的正极资料、负极资料、电解质、隔膜被称为锂电池的四个最中心资料。下面我们简略介绍一下各类负极资料的功能指标、优缺陷及也许的改进方向。
碳纳米管
碳纳米管是一种石墨化构造的碳资料，本身具有优良的导电功能，一起因为其脱嵌锂时深度小、行程短，作为负极资料在大倍率充放电时极化效果较小，可进步电池的大倍率充放电功能。
但是，碳纳米管直接作为锂电池负极资料时，会存在不可逆容量高、电压滞后及放电渠道不显着等疑问。如Ng等选用简略的过滤制备了单壁碳纳米管，将其直接作为负极资料，其初次放电容量为1700mAh/g，可逆容量仅为400mAh/g。
碳纳米管在负极中的另一个使用是与别的负极资料（石墨类、钛酸锂、锡基、硅基等）复合，使用其共同的中空构造、高导电性及大比外表积等长处作为载体改进别的负极资料的电功能。如郭等选用化学气相堆积法，在胀大石墨的孔洞中原位成长碳纳米管，合成了胀大石墨/碳纳米管复合资料，其初次可逆容量为443mAh/g，以1C倍率充放电循环50次后，可逆容量仍可到达259mAh/g。碳纳米管的中空构造及胀大石墨的孔洞，供给了大量的锂活性位，并且这种构造能缓冲资料在充放电过程中发作的体积效应。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
石墨烯
2004年英国Manchester大学研讨者初次发现石墨烯资料，并取得诺贝尔奖。石墨烯是一种由碳六元环构成的新式碳资料,具有许多优良的功能，如大比外表（约2600m2g-1）、高导热系数（约5300Wm-1K-1）、高电子导电性（电子迁移率为15000cm2V-1s-1)和杰出的机械功能，被作为锂离子电池资料而备受重视。
石墨烯直接作为锂电池负极资料时，具有十分可观的电化学功能。试验室曾选用水合肼作为还原剂、制备了丛林描摹的石墨烯片，其兼具硬碳和软碳特性，且在高于0.5V电压区间，表现出电容器的特性。
石墨烯负极资料在1C放电倍率下,初次可逆容量为650mAh/g，100次充放电循环后容量仍可到达460mAh/g。石墨烯还可作为导电剂，与别的负极资料复合，进步负极资料的电化学功能。如Zai等选用超声分散法制备了Fe3O4/石墨烯复合资料，在200mA/g的电流密度下放电，经过50次循环后，容量为1235mAh/g；在5000和10000mA/g电流密度下放电，经过700次循环后，容量别离能到达450mAh/g和315mAh/g，表现出较高的容量和杰出的循环功能。
钛酸锂
尖晶石型钛酸锂被作为一种备受重视的负极资料，因具有如下长处：
1）钛酸锂在脱嵌锂前后简直“零应变（脱嵌锂前后晶胞参数”a从0.836nm仅变为0.837nm）；
2）嵌锂电位较高（1.55V），防止“锂枝晶”发作，安全性较高；
3）具有很平整的电压渠道；
4）化学分散系数和库伦功率高。
钛酸锂的许多长处决议了其具有优良的循环功能和较高的安全性，但是，其导电性不高、大电流充放电时容量衰减严峻，通常选用外表改性或掺杂来进步其电导率。如肖等以Mg(NO3)2为镁源，经过固相法制备了Mg2+掺杂的钛酸锂，标明掺杂Mg2+并没有损坏钛酸锂的尖晶石晶体构造，且掺杂后资料的分散性更佳，其在10C放电倍率下的比容量可到达83.8mAh/g，是未掺杂资料的2.2倍，且经过10次充放电循环后容量无显着衰减，经沟通阻抗测验标明，掺杂后资料的电荷转移电阻显着降低。Zheng等经过高温固相法，别离选用Li2CO3和柠檬酸锂作为锂源，制备了纯相的钛酸锂和碳包覆的钛酸锂。
试验标明，经碳包覆的钛酸锂具有较小的粒径和杰出的分散性，表现出更优的电化学功能，首要归因于碳包覆进步了钛酸锂颗粒外表的电子电导率，一起较小的粒径缩短了Li+的分散路径。
硅基资料
硅作为锂离子电池抱负的负极资料，具有如下长处：
1）硅可与锂构成Li4.4Si合金，理论储锂比容量高达4200mAh/g（超越石墨比容量的10倍）；
2）硅的嵌锂电位（0.5V）略高于石墨，在充电时难以构成“锂枝晶”；
3）硅与电解液反响活性低，不会发作有机溶剂的共嵌入景象。
但是，硅电极在充放电过程中会发作循环功能降低和容量衰减，首要有两大原因：
1）硅与锂生成Li4.4Si合金时，体积胀大高达320%，无穷的体积改变易导致活性物质从集流体中掉落，然后降低与集流体间的电触摸，造成电极循环功能迅速降低；
2）电解液中的LiPF6分化发作的微量HF会腐蚀硅，造成了硅电极容量衰减。
为了进步硅电极的电化学功能，通常有如下路径：制备硅纳米资料、合金资料和复合资料。如Ge等选用化学刻蚀法制备了硼掺杂的硅纳米线，在2A/g充放电电流下，循环250周后容量仍可到达2000mAh/g，表现出优良的电化学功能，归因于硅纳米线的锂脱嵌机制能有用减轻循环过程中的体积胀大。Liu等经过高能球磨法制备了Si-NiSi-Ni复合物，然后使用HNO3溶解复合物中的Ni单质，得到了多孔构造的Si-NiSi复合物。
经过XRD表征可知，系统中存在NiSi合金，其不只为负极资料供给了可逆容量，还与粒子内部的孔隙协同，缓冲硅在充放电循环过程中的体积胀大，进步硅电极的循环功能。Lee等选用酚醛树脂为碳源，在氩气氛围下于700℃高温裂解，制备了核壳型Si/C复合资料，经过10次循环后复合物的可逆容量仍可达1029mAh/g，标明选用Na2CO3在硅外表与酚醛树脂间构成共价键，然后进行高温裂解，可改进硅与裂解碳间的触摸，然后进步负极资料的循环性、减小不可逆容量损失。
锡合金
SnCoC是锡合金负极资猜中商业化较成功的一类资料，其将Sn、Co、C三种元素在原子水平上均匀混合，并非晶化处理而得，该资料能有用按捺充放电过程中电极资料的体积改变，进步循环寿数。如2011年，日本SONY公司宣告选用Sn系非晶化资料作容量为3.5AH的18650圆柱电池的负极。单质锡的理论比容量为994mAh/g，能与别的金属Li、Si、Co等构成金属间化合物。如Xue等先选用无电电镀法制备了三维多孔构造的Cu薄膜载体，然后经过外表电堆积在Cu薄膜载体外表负载Sn-Co合金，然后制备了三维多孔构造的Sn-Co合金。
该资料的初次放电比容量为636.3mAh/g，初次库伦功率到达83.1%，70次充放电循环后比容量仍可到达511.0mAh/g。Wang等以石墨为分散剂，SnO/SiO和金属锂的混合物为反响物，选用高能机械球磨法并经后期热处理，制备了石墨基质中均匀分散的Sn/Si合金，该资料在200次充放电循环后，其可逆容量仍可达574.1mAh/g，功能优于独自的SnO或SiO等负极资料。
锡氧化物
SnO2因具有较高的理论比容量（781mAh/g）而备受重视，但是，其在使用过程中也存在一些疑问：初次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应（体积胀大250%～300%）、循环过程中简单聚会等。
研讨标明，经过制备复合资料，能够有用按捺SnO2颗粒的聚会，一起还能减轻嵌锂时的体积效应，进步SnO2的电化学稳定性。Zhou等经过化学堆积和高温烧结法制备SnO2/石墨复合资料，其在100mA/g的电流密度下，比容量可达450mAh/g以上，在2400mA/g电流密度下，可逆比容量超越230mAh/g，试验标明，石墨作为载体，不只能将SnO2颗粒分散得更均匀，并且能有用按捺颗粒聚会，进步资料的循环稳定性。
综上所述，近年来，锂离子电池负极资料朝着高比容量、长循环寿数和低成本方向发展。金属基（锡基、硅基）资料在表现高容量的一起伴随着体积改变，因为金属基合金资料的容量与体积改变成正比，而实践电芯体积不允许发作大的改变（通常小于5%），所以其在实践使用中的容量表现受到了较大的约束，处理或改进体积改变效应将变成金属基资料研制的方向。
钛酸锂因为具有体积改变小、循环寿数长和安全性好等明显优势，在电动汽车等大型储能范畴有较大的发展潜力，因为其能量密度较低，与高电压正极资料LiMn1.5Ni0.5O4匹配使用，是未来高安全动力电池的发展方向。
碳纳米资料（碳纳米管和石墨烯）具有比外表积、高的导电性、化学稳定性等长处，在新式锂离子电池中具有潜在的使用。但是，碳纳米资料独自作为负极资料存在不可逆容量高、电压滞后等缺陷，与别的负极资料复合使用是现在对比实践的挑选。
上一篇：三元锂电池介绍
