锂离子电池负极材料发展历程

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正极材料、使用非水电解质溶液的电池。优点:绿色环保,不论生产、使用和报废,不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。 电池原理: 组成材料主要包括:负极材料、正极材料和隔膜。 在充放电过程中,锂离子在正负极之间来回运动。充电时,锂离子从正极脱出,经过隔膜嵌入到负极中。放电时,锂离子再从负极中脱出,重新回到正极。由此可以看出锂电池的正、负极材料都要有良好的嵌入、脱出锂离子的能力。一般来说,锂离子电池的总比容量是由正极材料的比容量、负极材料的比容量及电池的其它组分决定的,因此,我们迫切需要提高正负极材料的比容量。 负极材料: 碳材料:商业化锂电池负极材料一般为碳作为基质的材料,包括石墨、中间相碳微球、碳纳米管等。虽然碳材料作为锂离子电池负极具有较好的循环性能,但已基本达到其理论极限容量(石墨理论比容量为372mAh/g),限制了电池的性能。另外实际应用中也暴露出碳负极存在许多缺陷:在快速充电或低温充电易发生“析锂”现象引发安全隐患;有机电解液中会形成钝化层,引起初始容量损失;这些因素直接制约了锂离子电池的进一步发展。因此,高能动力型锂离子电池的发展需要寻求高容量、长寿命、安全可靠的新型负极来取代碳负极材料。 其中锡基负极材料具有质量与体积比能量高,价格便宜,无毒副作用,加工合成相对容易等优点,因此一经提出就受到研究者的广泛关注。 研究明,当负极材料的比容量在1000~1200 mAh/g时可以显著提高锂离子电池的总比容量。在各种非碳负极材料中,硅的理论比容量为4200mAh/g,具有明显的优势,因此吸引了越来越多研究者的目光。 硅-非金属体系:在此复合体系中,硅颗粒作为活性物质,提供储锂容量;非金属相作为分散基体,缓冲硅颗粒嵌脱锂时的体积变化,保持电极结构的稳定性,并维持电极内部电接触。目前主要有硅-碳复合体系、硅-玻璃/陶瓷体系、硅的氧化物、金属氮化物等体系。其中,碳类负极材料具有良好的导电性,在充放电过程中体积变化很小,循环稳定性能好。与硅结合可以很好的改善硅的体积膨胀,提高其电化学稳定性。因此,硅-碳复合材料成为当前负极材料的研究的热点。