負(fù)極材料的特性

 

作為鋰離子電池負(fù)極材料，應(yīng)滿足以下要求。

① 插入鋰時(shí)的氧化還原電勢(shì)應(yīng)盡可能低，接近金屬鋰的電勢(shì)，從而使電池的輸出電壓高；

② 鋰可以盡可能可逆地脫嵌在主體材料中，具有大的比容量值；

③ 在鋰解吸過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化或變化很小，以確保良好的循環(huán)性能；

④ 氧化還原電位隨插入鋰的數(shù)量的變化應(yīng)盡可能小，這樣電池的電壓就不會(huì)發(fā)生顯著變化，并且可以保持相對(duì)穩(wěn)定的充電和放電；

⑤ 插入化合物應(yīng)具有良好的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，可以減少極化，并可以對(duì)大型電池進(jìn)行充電和放電；

⑥ 它具有良好的表面結(jié)構(gòu)，可以與液體電解質(zhì)形成良好的固體電解質(zhì)界面（SEI，固體電解質(zhì)界面）膜；

⑦ 鋰離子在主體材料中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于快速充放電；

⑧ 價(jià)格便宜，資源豐富，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。

 

 

負(fù)極材料的分類(lèi)

 

（1） 根據(jù)其組成，負(fù)極材料有許多分類(lèi)方法。根據(jù)其組成，可分為兩類(lèi)：碳負(fù)極材料和非碳負(fù)極材料。碳材料主要包括石墨和石墨化碳材料，以及非石墨（無(wú)定形）碳材料。石墨碳材料包括天然石墨、人造石墨和改性石墨。它們具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，插入石墨的鋰離子層之間形成了LixC6層間化合物，理論容量為372mA·h/g，具有良好的電壓平臺(tái)，并且沒(méi)有電荷（鋰脫嵌）電壓滯后；無(wú)定形碳材料根據(jù)其石墨化難易程度可分為易石墨化碳材料（也稱(chēng)為軟碳）和難石墨化碳物質(zhì)（也稱(chēng)為硬碳）。非石墨化碳材料和石墨具有不同的儲(chǔ)鋰機(jī)制，通常表現(xiàn)出更高的比容量，但電壓平臺(tái)更高，存在潛在的磁滯現(xiàn)象，循環(huán)性能不理想?？赡驿嚧鎯?chǔ)容量通常隨著循環(huán)的進(jìn)行而衰減得更快。

非碳負(fù)極材料包括錫基材料、硅基材料、氮化物、鈦基材料、過(guò)渡金屬氧化物和其他新型合金材料。非碳負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)主要基于碳基材料的低比容量，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的電池容量要求。此外，碳基材料具有低的首次充電和放電效率，并且具有諸如有機(jī)溶劑共包埋的缺點(diǎn)。因此，人們?cè)陂_(kāi)發(fā)碳材料的同時(shí)，也進(jìn)行了大容量非碳負(fù)極材料的研發(fā)。

? 錫基材料包括錫氧化物、錫基復(fù)合氧化物、錫鹽、錫酸鹽、錫合金等；

? 硅基材料分為硅、硅氧化物、硅/碳復(fù)合材料、硅合金等；

? 鈦基負(fù)極材料主要指鈦氧化物，包括TiO2、尖晶石結(jié)構(gòu)的Li+i2O4、Li4/3Ti5/3O4等；

? 氮化物主要指各種過(guò)渡金屬氮化物，如Li4/3Ti5/3O4等含鋰負(fù)極材料；

? 合金材料包括Sn基、Sb基、Si基、Al基合金材料等。

 

負(fù)極材料包括兩種類(lèi)型的碳材料和非碳材料，分類(lèi)如下：

碳材料：類(lèi)石墨碳材料（包括天然石墨、人造石墨、改性石墨）和無(wú)定形碳材料（包含易石墨化碳材料和難石墨化碳材）；

非碳材料：錫基材料、硅基材料、酰胺、鈦基材料、過(guò)渡金屬氧化物、合金材料。

 

 

（2） 根據(jù)負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，可分為兩類(lèi)：結(jié)晶材料和非晶（非晶）材料。石墨碳材料結(jié)晶度高，屬于結(jié)晶性材料；無(wú)定形碳材料的結(jié)晶度較低，我們將其視為無(wú)定形材料。錫基材料中的大多數(shù)氧化錫都是結(jié)晶化合物。由于在充放電過(guò)程中具有巨大的體積效應(yīng)，影響材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性能，氧化錫的改性導(dǎo)致了無(wú)定形錫基復(fù)合氧化物的出現(xiàn)。硅基材料中的非金屬硅也有兩種類(lèi)型，結(jié)晶硅和非晶硅。其中，非晶硅具有較好的電化學(xué)性能，對(duì)硅的改性主要針對(duì)非晶硅。合金材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)也可分為兩種類(lèi)型：結(jié)晶材料和非晶材料。

 

（3） 負(fù)極材料分為兩類(lèi)：粉末材料和薄膜材料。到目前為止，研究的負(fù)極材料大多是粉末狀材料，對(duì)薄膜形態(tài)的研究較少，主要集中在金屬（合金）薄膜、氧化錫薄膜、硅基薄膜等。與粉末電極相比，薄膜電極不需要添加粘合劑和導(dǎo)電劑。這使得薄膜電極能夠更直觀地反映電極材料的性能，同時(shí)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、內(nèi)阻低、充放電性能好的優(yōu)點(diǎn)，使得薄膜電極材料非常有前景。