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锂离子电池负极材料分类有哪些?

时间:2017-03-15 分享:
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理想的锂离子电池负极材料应该能够容纳大量的Li+,具有较高的离子电导率和电子电导率,以及良好的稳定性等。现有的负极材料难以同时满足上述要求,存在着初次充放电效率低、大电流充放电性能差等缺点。因此,研发电化学性能更好的新型负极材料,以及对已有材料进行改性一直是锂离子电池负极材料领域的研究热点。目前研究的负极材料主要可分为以下3种:嵌入型负极材料、合金化型负极材料和转化型负极材料。

嵌入型负极材料:

典型的嵌入型负极材料是碳材料。根据材料石墨化程度的差别,碳材料通常可以分为软碳、硬碳和石墨。常见的软碳材料有石油焦、针状焦、碳纤维及碳微球;硬碳在2500℃以上也难以石墨化。石墨放电容量为3500mA·h/g,具有层状结构,同一层的碳原子呈正六边形排列,层与层之间靠范德华力结合。石墨层间可嵌入锂离子形成锂-石墨层间化合物(Li-GIC)。石墨类材料导电性好,结晶度高,有稳定的充放电平台,是目前商业化程度非常高的锂离子电池负极材料。除了石墨,其他的碳类材料的储锂机制也是如此。需要指出的是,硬碳材料具有比石墨更高的放电容量,这是因为,除了具有与石墨相同的嵌入机制,硬碳结构上还存在一些微孔或缺陷可供Li+ 储存和嵌脱。然而,由于循环效率偏低、电压随容量的变化大、缺少平稳的放电平台,硬碳作为负极材料,应用一直受限制。

合金化型负极材料:

合金化储锂材料是指能和锂发生合金化反应的金属及其合金、中间相化合物及复合物。据报道,常温下锂能与许多金属反应(如Sn、Si、Zn、Al、Sb、Ge、Pb、Mg、Ca、As、Bi、Pt、Ag、Au、Cd、Hg等),其充放电的机理本质为合金化及逆合金化的反应。通常来说,合金化型负极材料的理论比容量及电荷密度均远高于嵌入型负极材料。同时,这类材料的嵌锂电位较高,在大电流充放电的情况下也很难发生锂的沉积,不会产生锂枝晶导致电池短路,对高功率器件有很重要的意义。

转化型负极材料:

目前已报道的转化类负极材料有数十种之多,主要指过渡金属元素如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。以前这类材料并不被看好,这类材料的空间结构中没有供锂离子嵌入和脱出的位置,不符合传统的锂离子嵌脱机制,且在室温下与锂的反应曾被认为是不可逆的。直至几种过渡金属氧化物被发现具有很高的可逆放电容量(3倍于石墨),此材料才逐渐引起研究者们的关注。

不同于以上3类负极材料,尖晶石结构钛酸锂Li4Ti5O12也受到越来越多的关注。Li4Ti5O12的工作电压为1.5V,相对于一般负极材料偏高,在此电压下,电解质不会分解,因此以钛酸锂作为电池的负极材料,在循环过程中材料表面不会形成SEI膜,初次充放电效率高。此外,在锂离子嵌入和脱出的前后,钛酸锂类材料几乎不会发生体积变化,是一种“零应变材料”,具有突出的安全性,成为下一代储能电站用锂离子电池的热门候选材料。


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