鋰離子電池新型負(fù)極材料的研究

本文著重介紹了鋰離子電池負(fù)極材料金屬基（Sn基材料、Si基材料）、鈦酸鋰、碳材料（碳納米管、石墨烯等）的性能、優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方法，并對(duì)這些負(fù)極材料的應(yīng)用作了進(jìn)一步展望。

鋰離子電池因具有能量密度高、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電小及環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于3C電子產(chǎn)品(Computer，ConsumerElectronic和Communication)、儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車及船用領(lǐng)域。

鋰離子電池的能量密度（170Wh/kg），約為傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的3～4倍，使其在動(dòng)力電源領(lǐng)域具有較強(qiáng)的吸引力。

而負(fù)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(jiàn)負(fù)極材料在鋰離子電池化學(xué)體系中起著至關(guān)重要的作用，其中研究較為廣泛的鋰離子電池負(fù)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(fù)極材料。

金屬基材料

1.1錫基材料

目前錫基負(fù)極材料主要有錫氧化物和錫合金等。

1.1.1錫氧化物

SnO2因具有較高的理論比容量（781mAh/g）而備受關(guān)注，然而，其在應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題首次不可逆容量大、嵌鋰時(shí)會(huì)存在較大的體積效應(yīng)（體積膨脹250%～300%）、循環(huán)過(guò)程中容易團(tuán)聚等。

研究表明，通過(guò)制備復(fù)合材料，可以有效抑制SnO2顆粒的團(tuán)聚，同時(shí)還能緩解嵌鋰時(shí)的體積效應(yīng)，提高SnO2的電化學(xué)穩(wěn)定性。

Zhou等通過(guò)化學(xué)沉積和高溫?zé)Y(jié)法制備SnO2/石墨復(fù)合材料，其在100mA/g的電流密度下，比容量可達(dá)450mAh/g以上，在2400mA/g電流密度下，可逆比容量超過(guò)230mAh/g，

實(shí)驗(yàn)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(tuán)聚，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

1.1.2錫合金

SnCoC是Sn合金負(fù)極材料中商業(yè)化較成功的一類材料，其將Sn、Co、C三種元素在原子水平上均勻混合，并非晶化處理而得，該材料能有效抑制充放電過(guò)程中電極材料的體積變化，提高循環(huán)壽命。

如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(fù)極。單質(zhì)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。

如Xue等先采用無(wú)電電鍍法制備了三維多孔結(jié)構(gòu)的Cu薄膜載體，然后通過(guò)表面電沉積在Cu薄膜載體表面負(fù)載Sn-Co合金，從而制備了三維多孔結(jié)構(gòu)的Sn-Co合金。

該材料的首次放電比容量為636.3mAh/g，首次庫(kù)倫效率達(dá)到83.1%，70次充放電循環(huán)后比容量仍可達(dá)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(yīng)物，采用高能機(jī)械球磨法并經(jīng)后期熱處理，制備了石墨基質(zhì)中均勻分散的Sn/Si合金，該材料在200次充放電循環(huán)后，其可逆容量仍可達(dá)574.1mAh/g，性能優(yōu)于單獨(dú)的SnO或SiO等負(fù)極材料。

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