锂离子电池新型负极材料的研究现状

锂离子电池

新型负极材料的研究现状

姓名：孔路明

班级：化学142

学号：201401534214

目录

1新型碳材料 (1)

1.1碳纳米材料 (1)

1.2石墨烯 (2)

2氧化物负极材料 (2)

2.1锡的氧化物氧 (2)

2.2钛基氧化物 (3)

2.3硅基材料 (3)

2.4碳酸盐材料 (4)

3金属及合金类负极材料 (4)

4小结 (5)

参考文献 (6)

锂离子电池新型负极材料的研究现状摘要：锂离子电池由于开路电压高、能量密度大、循环性能好等优点得到日益广泛的应用。目前商业化使用的负极材料大多为石墨类负极材料，有很好的循环性能，但较低的理论容量（372mAh/g），逐渐不能满足人们对高能量密度电池的需求。因此开发高容量负极材料已成为当前的研究热点，具有潜在实用价值的负极材料，主要包括合金反应、转化反应材料以及钛基材料，如合金材料硅、锡，过渡金属氧化物等。

关键词：锂离子电池，负极材料，研究现状

1新型碳材料

脱嵌反应材料的代表是已经广泛商业化的石墨负极材料。这类材料的特点是，在充放电过程中，锂离子从材料主体脱出和嵌入，而材料基本结构不发生改变。因此，这类材料大多循环性能优异。在新型碳负极方面，未来的发展将主要集中在高功率石墨类负极及非石墨类高容量碳负极，以满足未来动力和高能电池的需求。新型碳材料：如碳纳米管(CNT)石墨烯，由于具有特殊的一维和二维柔性结构、优良的导热性和导电特性，因此在锂离子电池应用中具有巨大的潜力。

1.1碳纳米材料

碳纳米材料主要包括碳纳米管和碳材料的纳米掺杂。在碳材料中掺杂纳米状

Si理论容量高态的硅原子是最典型的碳材料纳米掺杂，Si嵌入锂时形成的Li

4.4

达4200A·h/g。碳纳米管是一种单层或多层纳米级管状材料，主要由C-C共价

键结合而成的碳六边形组成。具有较高的硬度、强度、韧性及导电性能。碳纳米管难以直接用作锂离子电池的负极材料。因为碳纳米管作为电极材料存在首次效率较低、无放电平台、循环性能较差、电压滞后等缺陷。碳纳米管可以制成薄膜，其微型电池的负极材料潜力很大，此外碳纳米管的结构与插锂机理之间的关系有待进一步深入研究[1]。

1.2石墨烯

石墨和碳微球是传统的锂离子电池负极碳材料，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，稳定的苯六元环是其基本结构单元，电化学测试结果表明：石墨烯的电化学性能与其结构密切相关，这主要是它的片层排列方式和层结构所决定。与石墨相比，有较高的可逆储锂容量；减少层数有利于获得更高的可逆容量；石墨烯具有超大比表面积。研究发现：石墨烯片层的两侧均可吸附1个Li+，所以石墨烯的理论比容量是石墨的两倍，即744mA∙h/g。石墨烯存在电压滞后、库仑效率低等缺点，很难直接作为负极材料。

(1)通过对石墨烯片层的结构与排列方式进行控制，可提高其电子与离子传输能力；(2)在石黑烯结构中引入其它的活性物质或活性位点，实现化学储锂离子与物理储锂离子的有机结合。季红梅等[2]以三氯化铁和氧化石墨烯为原料，采用水

热法合成了Fe

2O

3

/石墨烯纳（RGO）锂离子电池负极材料。电性能测试结果表

明:180℃下得到的Fe

2O

3

/RGO具有优良的循环稳定性和比容量.初始放电比容量

达到1023.6mA∙h/g（电流密度为40mA/g）电流密度增加到800mA/g时，放电比容量维持在406.6mA∙h/g，高于石墨的理论放电比容量372mA∙h/g。在其他较高

的电流密度下比容量均持平。该Fe

2O

3

/RGO有希望作为低成本、低毒性、高容量

的新一代锂离子电池负极材料。

2氧化物负极材料

氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物金属基复合氧化物和其它氧化物。现在研究热点主要集中在锡锑氧化物上，也有关于锰铁钨等其他氧化物负极的研究。

2.1锡的氧化物氧

锡的氧化物氧化锡和氧化亚锡都可以作为负极材料，氧化锡和氧化亚锡都具有一定的储锂能力其混合物也具有储锂能力，但在反应过程中有体积变化大首次不可逆容量较高循环性能不理想等缺点。

锡基复合氧化物是为克服循环性差的弱点在锡的氧化物中加入一些金属或

非金属氧化物，如Fe、Ti、Ge、Si等元素的氧化物，在结构上锡基复合氧化物由活性中心Sn

2

O键和周围的无规网格结构组成，无规网格由加入的金属或非金属氧化物组成它们使活性中心相互隔离开来，因此可以有效储Li容量大小和活

性中心有关。锡基复合氧化物可用通式SnM

x O

y

（x≥1）表示，其中表示形成玻璃

体的一组金属元素，常常是混合物，其不参加反应只作为惰性元素帮助Sn原子在玻璃基体中的分散，阻止了Sn原子的迁移，因此减缓了Sn原子聚集成簇大大提高了电池的循环性能。

2.2钛基氧化物

钛基氧化物材料是脱嵌类材料的代表，主要包括二氧化钛（如TiO

2

-B）和钛

酸锂（Li

4Ti

5

O

12

）。Li

4

Ti

5

O

12

被誉为“零应变”材料，在循环过程中材料体积变化

小，结构不发生变化，其理论容量比石墨要低，为175mAh/g。TiO

2

-B是近些年

发展起来的材料,与Li

4Ti

5

O

12

相似，其也具有稳定的充放电平台，循环稳定性良

好，且理论容量容量更高，。但是这两种材料的导电性都很差，为了提高其倍率性能，在合成过程中一般都需要加入碳材料包覆或者复合。除此之外，钛基材料工作电位都很高，虽然安全性能十分优异，但钛基负极较高的放电平台会降低整体电池的输出电压，进而削弱电池的能量和功率输出。

2.3硅基材料

理论上，硅与Li的插入化合物放电比容量可达到4200mA∙h/g,作为锂离子

电池负极材料非常有吸引力。然而硅在充放电过程中存在较大的体积变化，从而导致材料的容量衰减较快，电池的循环性能很差。所以需要对Si进行改性，提高硅基负极材料的电化学性能，主要的改进方法一般采用表面处理、多相掺杂、形成硅化物等在硅基材料中，未来最有潜力的是硅基薄膜负极和硅的复合材料，薄膜的厚度和材料的制备方法对硅基薄膜负极的容量有着较大影响。只要增加薄膜的厚度就可提供足够的活性材料，可望实现商业化。硅与不同的材料复合就会达到不同的效果，结合硅不足之处选择最佳的材料进行复合将是一个研究的热点。