鋰離子電池的負(fù)極材料有哪些？

鋰離子電池與二次鋰電池的最大不同在于前者用嵌鋰化合物代替金屬鋰作為電池負(fù)極，因此鋰離子電池的研究開發(fā)，很大程度上就是負(fù)極嵌鋰化合物的研究開發(fā)。

作為鋰離子電池的負(fù)極材料，所必須具備的條件是(1) 低的電化當(dāng)量；(2) 鋰離子的脫嵌容易且高度可逆；(3) Li+的擴(kuò)散系數(shù)大；(4) 有較好的電子導(dǎo)電率；(5) 熱穩(wěn)定及其電解質(zhì)相容性較好，容易制成適用電極。

目前，鋰離子電池的負(fù)極材料主要有碳素材料和非碳材料兩大類，已實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球(MCMB)、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等，此外，人們也在積極研究開發(fā)非碳負(fù)極材料。

1、碳素負(fù)極材料

碳材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性可分成兩類易石墨化碳及難石墨化碳，也就是通常所說的軟碳和硬碳材料。通常硬碳的晶粒較小，晶粒取向不規(guī)則，密度較小，表面多孔，晶面間距(d002)較大，一般在0.35～0.40nm，而軟碳則為0.35nm左右。

軟碳主要有碳纖維、碳微球、石油焦等。軟碳主要有碳纖維、碳微球、石油焦等。其中，普通石油焦的比容量較低，約為160 mAh·g-1，循環(huán)性能較差，對石油焦(國產(chǎn))等通過改性處理，可使比容量提高到250 mAh·g-1，并且具有較好的循環(huán)性能。硬碳中主要有樹脂碳，有機(jī)聚合物(PVA、PVC、PVDF、PAN等)熱解碳以及碳黑(如乙炔黑)等。

與非石墨化碳材料相比，石墨導(dǎo)電性好，結(jié)晶度較高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，更適合Li離子的脫/嵌，形成LiC6鋰-石墨層間插入化合物L(fēng)i-GIC。

石墨材料主要包括人造石墨和天然石墨兩大類。人造石墨是將易石墨化碳(軟碳)經(jīng)高溫石墨化處理制得。作為鋰離子電池負(fù)極材料的人造石墨類材料主要有石墨化中間相碳微球、石墨纖維及其他各種石墨化碳等。

2、非碳負(fù)極材料

含鋰過渡金屬氮化物是在氮化鋰Li3N高離子導(dǎo)體材料(電導(dǎo)率為102·cm-1)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可分為反CaF2型和Li3N型兩種，代表性的材料分別為Li3-xCoxN和Li7MnN4。Li3-xCoxN屬于Li3N型結(jié)構(gòu)鋰過渡金屬氮化物(其通式為Li3-xMxN，M為Co、Ni、Cu等)，該材料比容量高，可達(dá)到900 mAh·g-1，沒有不可逆容量，充放電平均電壓為0.6V左右，同時(shí)也能夠與不能提供鋰源的正極材料匹配組成電池。

Li7MnN4屬于反CaF2型結(jié)構(gòu)鋰過渡金屬氮化物(其通式為Li2n-1MNn，M代表過渡金屬)，比容量較低，約為200 mAh·g-1，但循環(huán)性能良好，充放電電壓平坦，沒有不可逆容量，特別是這種材料作為鋰離子電池負(fù)極時(shí)，還可以采用不能提供鋰源的正極材料與其匹配組成電池。

TiS2、MoS2等硫化物也可作鋰離子電池的負(fù)極材料，可與LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等4V級正極材料匹配組成電池。這類電池電壓較低，如以TiS2為負(fù)極，LiCoO2為正極組成電池，電壓為2V左右，其循環(huán)性能較好，可達(dá)到500次。