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                          鋰離子電池負極材料分類有哪些?

                          時間:2017-03-15 分享:
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                          理想的鋰離子電池負極材料應該能夠容納大量的Li+,具有較高的離子電導率和電子電導率,以及良好的穩定性等?,F有的負極材料難以同時滿足上述要求,存在著初次充放電效率低、大電流充放電性能差等缺點。因此,研發電化學性能更好的新型負極材料,以及對已有材料進行改性一直是鋰離子電池負極材料領域的研究熱點。目前研究的負極材料主要可分為以下3種:嵌入型負極材料、合金化型負極材料和轉化型負極材料。

                          嵌入型負極材料:

                          典型的嵌入型負極材料是碳材料。根據材料石墨化程度的差別,碳材料通??梢苑譃檐浱?、硬碳和石墨。常見的軟碳材料有石油焦、針狀焦、碳纖維及碳微球;硬碳在2500℃以上也難以石墨化。石墨放電容量為3500mA·h/g,具有層狀結構,同一層的碳原子呈正六邊形排列,層與層之間靠范德華力結合。石墨層間可嵌入鋰離子形成鋰-石墨層間化合物(Li-GIC)。石墨類材料導電性好,結晶度高,有穩定的充放電平臺,是目前商業化程度非常高的鋰離子電池負極材料。除了石墨,其他的碳類材料的儲鋰機制也是如此。需要指出的是,硬碳材料具有比石墨更高的放電容量,這是因為,除了具有與石墨相同的嵌入機制,硬碳結構上還存在一些微孔或缺陷可供Li+ 儲存和嵌脫。然而,由于循環效率偏低、電壓隨容量的變化大、缺少平穩的放電平臺,硬碳作為負極材料,應用一直受限制。

                          合金化型負極材料:

                          合金化儲鋰材料是指能和鋰發生合金化反應的金屬及其合金、中間相化合物及復合物。據報道,常溫下鋰能與許多金屬反應(如Sn、Si、Zn、Al、Sb、Ge、Pb、Mg、Ca、As、Bi、Pt、Ag、Au、Cd、Hg等),其充放電的機理本質為合金化及逆合金化的反應。通常來說,合金化型負極材料的理論比容量及電荷密度均遠高于嵌入型負極材料。同時,這類材料的嵌鋰電位較高,在大電流充放電的情況下也很難發生鋰的沉積,不會產生鋰枝晶導致電池短路,對高功率器件有很重要的意義。

                          轉化型負極材料:

                          目前已報道的轉化類負極材料有數十種之多,主要指過渡金屬元素如Co、Ni、Mn、Fe、V、Ti、Mo、W、Cr、Cu、Ru的氧化物、硫化物、氮化物、磷化物及氟化物。以前這類材料并不被看好,這類材料的空間結構中沒有供鋰離子嵌入和脫出的位置,不符合傳統的鋰離子嵌脫機制,且在室溫下與鋰的反應曾被認為是不可逆的。直至幾種過渡金屬氧化物被發現具有很高的可逆放電容量(3倍于石墨),此材料才逐漸引起研究者們的關注。

                          不同于以上3類負極材料,尖晶石結構鈦酸鋰Li4Ti5O12也受到越來越多的關注。Li4Ti5O12的工作電壓為1.5V,相對于一般負極材料偏高,在此電壓下,電解質不會分解,因此以鈦酸鋰作為電池的負極材料,在循環過程中材料表面不會形成SEI膜,初次充放電效率高。此外,在鋰離子嵌入和脫出的前后,鈦酸鋰類材料幾乎不會發生體積變化,是一種“零應變材料”,具有突出的安全性,成為下一代儲能電站用鋰離子電池的熱門候選材料。