鉅大LARGE | 點擊量：5374次 | 2018年10月12日
鋰電池負極材料性能、優(yōu)缺點及改進特性分析介紹
鋰電池首要負極資料有錫基資料、鋰基資料、鈦酸鋰、碳納米資料、石墨烯資料等。鋰電池負極資料的能量密度是影響鋰電池能量密度的首要因素之一，鋰電池的正極資料、負極資料、電解質(zhì)、隔膜被稱為鋰電池的四個最中心資料。下面我們簡略介紹一下各類負極資料的功能指標、優(yōu)缺陷及也許的改進方向。
碳納米管
碳納米管是一種石墨化構(gòu)造的碳資料，本身具有優(yōu)良的導電功能，一起因為其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極資料在大倍率充放電時極化效果較小，可進步電池的大倍率充放電功能。
但是，碳納米管直接作為鋰電池負極資料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電渠道不顯著等疑問。如Ng等選用簡略的過濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負極資料，其初次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。
碳納米管在負極中的另一個使用是與別的負極資料（石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等）復合，使用其共同的中空構(gòu)造、高導電性及大比外表積等長處作為載體改進別的負極資料的電功能。如郭等選用化學氣相堆積法，在脹大石墨的孔洞中原位成長碳納米管，合成了脹大石墨/碳納米管復合資料，其初次可逆容量為443mAh/g，以1C倍率充放電循環(huán)50次后，可逆容量仍可到達259mAh/g。碳納米管的中空構(gòu)造及脹大石墨的孔洞，供給了大量的鋰活性位，并且這種構(gòu)造能緩沖資料在充放電過程中發(fā)作的體積效應。
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%
石墨烯
2004年英國Manchester大學研討者初次發(fā)現(xiàn)石墨烯資料，并取得諾貝爾獎。石墨烯是一種由碳六元環(huán)構(gòu)成的新式碳資料,具有許多優(yōu)良的功能，如大比外表（約2600m2g-1）、高導熱系數(shù)（約5300Wm-1K-1）、高電子導電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和杰出的機械功能，被作為鋰離子電池資料而備受重視。
石墨烯直接作為鋰電池負極資料時，具有十分可觀的電化學功能。試驗室曾選用水合肼作為還原劑、制備了叢林描摹的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區(qū)間，表現(xiàn)出電容器的特性。
石墨烯負極資料在1C放電倍率下,初次可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環(huán)后容量仍可到達460mAh/g。石墨烯還可作為導電劑，與別的負極資料復合，進步負極資料的電化學功能。如Zai等選用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復合資料，在200mA/g的電流密度下放電，經(jīng)過50次循環(huán)后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經(jīng)過700次循環(huán)后，容量別離能到達450mAh/g和315mAh/g，表現(xiàn)出較高的容量和杰出的循環(huán)功能。
鈦酸鋰
尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受重視的負極資料，因具有如下長處：
1）鈦酸鋰在脫嵌鋰前后簡直“零應變（脫嵌鋰前后晶胞參數(shù)”a從0.836nm僅變?yōu)?.837nm）；
2）嵌鋰電位較高（1.55V），防止“鋰枝晶”發(fā)作，安全性較高；
3）具有很平整的電壓渠道；
4）化學分散系數(shù)和庫倫功率高。
鈦酸鋰的許多長處決議了其具有優(yōu)良的循環(huán)功能和較高的安全性，但是，其導電性不高、大電流充放電時容量衰減嚴峻，通常選用外表改性或摻雜來進步其電導率。如肖等以Mg(NO3)2為鎂源，經(jīng)過固相法制備了Mg2+摻雜的鈦酸鋰，標明摻雜Mg2+并沒有損壞鈦酸鋰的尖晶石晶體構(gòu)造，且摻雜后資料的分散性更佳，其在10C放電倍率下的比容量可到達83.8mAh/g，是未摻雜資料的2.2倍，且經(jīng)過10次充放電循環(huán)后容量無顯著衰減，經(jīng)溝通阻抗測驗標明，摻雜后資料的電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著降低。Zheng等經(jīng)過高溫固相法，別離選用Li2CO3和檸檬酸鋰作為鋰源，制備了純相的鈦酸鋰和碳包覆的鈦酸鋰。
試驗標明，經(jīng)碳包覆的鈦酸鋰具有較小的粒徑和杰出的分散性，表現(xiàn)出更優(yōu)的電化學功能，首要歸因于碳包覆進步了鈦酸鋰顆粒外表的電子電導率，一起較小的粒徑縮短了Li+的分散路徑。
硅基資料
硅作為鋰離子電池抱負的負極資料，具有如下長處：
1）硅可與鋰構(gòu)成Li4.4Si合金，理論儲鋰比容量高達4200mAh/g（超越石墨比容量的10倍）；
2）硅的嵌鋰電位（0.5V）略高于石墨，在充電時難以構(gòu)成“鋰枝晶”；
3）硅與電解液反響活性低，不會發(fā)作有機溶劑的共嵌入景象。
但是，硅電極在充放電過程中會發(fā)作循環(huán)功能降低和容量衰減，首要有兩大原因：
1）硅與鋰生成Li4.4Si合金時，體積脹大高達320%，無窮的體積改變易導致活性物質(zhì)從集流體中掉落，然后降低與集流體間的電觸摸，造成電極循環(huán)功能迅速降低；
2）電解液中的LiPF6分化發(fā)作的微量HF會腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。
為了進步硅電極的電化學功能，通常有如下路徑：制備硅納米資料、合金資料和復合資料。如Ge等選用化學刻蝕法制備了硼摻雜的硅納米線，在2A/g充放電電流下，循環(huán)250周后容量仍可到達2000mAh/g，表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學功能，歸因于硅納米線的鋰脫嵌機制能有用減輕循環(huán)過程中的體積脹大。Liu等經(jīng)過高能球磨法制備了Si-NiSi-Ni復合物，然后使用HNO3溶解復合物中的Ni單質(zhì)，得到了多孔構(gòu)造的Si-NiSi復合物。
經(jīng)過XRD表征可知，系統(tǒng)中存在NiSi合金，其不只為負極資料供給了可逆容量，還與粒子內(nèi)部的孔隙協(xié)同，緩沖硅在充放電循環(huán)過程中的體積脹大，進步硅電極的循環(huán)功能。Lee等選用酚醛樹脂為碳源，在氬氣氛圍下于700℃高溫裂解，制備了核殼型Si/C復合資料，經(jīng)過10次循環(huán)后復合物的可逆容量仍可達1029mAh/g，標明選用Na2CO3在硅外表與酚醛樹脂間構(gòu)成共價鍵，然后進行高溫裂解，可改進硅與裂解碳間的觸摸，然后進步負極資料的循環(huán)性、減小不可逆容量損失。
錫合金
SnCoC是錫合金負極資猜中商業(yè)化較成功的一類資料，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，該資料能有用按捺充放電過程中電極資料的體積改變，進步循環(huán)壽數(shù)。如2011年，日本SONY公司宣告選用Sn系非晶化資料作容量為3.5AH的18650圓柱電池的負極。單質(zhì)錫的理論比容量為994mAh/g，能與別的金屬Li、Si、Co等構(gòu)成金屬間化合物。如Xue等先選用無電電鍍法制備了三維多孔構(gòu)造的Cu薄膜載體，然后經(jīng)過外表電堆積在Cu薄膜載體外表負載Sn-Co合金，然后制備了三維多孔構(gòu)造的Sn-Co合金。
該資料的初次放電比容量為636.3mAh/g，初次庫倫功率到達83.1%，70次充放電循環(huán)后比容量仍可到達511.0mAh/g。Wang等以石墨為分散劑，SnO/SiO和金屬鋰的混合物為反響物，選用高能機械球磨法并經(jīng)后期熱處理，制備了石墨基質(zhì)中均勻分散的Sn/Si合金，該資料在200次充放電循環(huán)后，其可逆容量仍可達574.1mAh/g，功能優(yōu)于獨自的SnO或SiO等負極資料。
錫氧化物
SnO2因具有較高的理論比容量（781mAh/g）而備受重視，但是，其在使用過程中也存在一些疑問：初次不可逆容量大、嵌鋰時會存在較大的體積效應（體積脹大250%～300%）、循環(huán)過程中簡單聚會等。
研討標明，經(jīng)過制備復合資料，能夠有用按捺SnO2顆粒的聚會，一起還能減輕嵌鋰時的體積效應，進步SnO2的電化學穩(wěn)定性。Zhou等經(jīng)過化學堆積和高溫燒結(jié)法制備SnO2/石墨復合資料，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，可逆比容量超越230mAh/g，試驗標明，石墨作為載體，不只能將SnO2顆粒分散得更均勻，并且能有用按捺顆粒聚會，進步資料的循環(huán)穩(wěn)定性。
綜上所述，近年來，鋰離子電池負極資料朝著高比容量、長循環(huán)壽數(shù)和低成本方向發(fā)展。金屬基（錫基、硅基）資料在表現(xiàn)高容量的一起伴隨著體積改變，因為金屬基合金資料的容量與體積改變成正比，而實踐電芯體積不允許發(fā)作大的改變（通常小于5%），所以其在實踐使用中的容量表現(xiàn)受到了較大的約束，處理或改進體積改變效應將變成金屬基資料研制的方向。
鈦酸鋰因為具有體積改變小、循環(huán)壽數(shù)長和安全性好等明顯優(yōu)勢，在電動汽車等大型儲能范疇有較大的發(fā)展?jié)摿?，因為其能量密度較低，與高電壓正極資料LiMn1.5Ni0.5O4匹配使用，是未來高安全動力電池的發(fā)展方向。
碳納米資料（碳納米管和石墨烯）具有比外表積、高的導電性、化學穩(wěn)定性等長處，在新式鋰離子電池中具有潛在的使用。但是，碳納米資料獨自作為負極資料存在不可逆容量高、電壓滯后等缺陷，與別的負極資料復合使用是現(xiàn)在對比實踐的挑選。
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