锂离子电池负极主要成分

锂离子电池负极材料的研究进展

摘 要： 随着时代的进步，能源与人类社会的生存和发展密切相关，持续

发展是全人类的、共同愿望与奋斗目标。矿物能源会很快枯竭，解决日益短缺的能源问题和日益严重的环境污染是对国家经济和安全的挑战也是对科学技术界地挑战。电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的一个新热点本文阐述了锂离子负极材料的基本特性，综述了碳类材料、硅类材料以及这两种材料形成的复合材料作为锂离子电池负极材料的研究及开发应用现状。

关键词：锂离子电池 负极材料 碳/硅复合材料

引 言： 电极是电池的核心，由活性物质和导电骨架组成正负极活性物质是

产生电能的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。本文就锂离子电池的负极材料进行研究。锂离子电池是目前世界上最为理想的可充电电池。它不仅具有能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等特点，而且污染小，符合环保要求。随着技术的进步，锂离子电池将广泛应用于电动汽车、航空航天、生物医学工程等领域，因此,研究与开发动力用锂离子电池及其相关材料有重大意义。对于动力用锂离子电池而言，关键是提高功率密度和能量密度，而功率密度和能量密度提高的根本是电极材料， 特别是负极材料的改善。

1、锂离子负极材料的基本特性

锂离子电池负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。锂离子电池负极材料应具备以下几个条件： (1) 应为层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌且在锂离子嵌入和脱出时无结构上的变化，以使电极具有良好的充放电可逆性和循环寿命；

(2) 锂离子在其中应尽可能多的嵌入和脱出，以使电极具有较高的可逆容量。在锂离子的脱嵌过程中，电池有较平稳的充放电电压； (3) 首次不可逆放电比容量较小； (4) 安全性能好；

(5) 与电解质溶剂相容性好； (6) 资源丰富、价格低廉； (7) 安全、不会污染环境。

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锂离子电池负极材料研究进展

作者：李春晓

来源：《新材料产业》2017年第09期

当前世界各国都在积极开发新能源产业，锂离子电池产业也是其中之一。由于锂离子电池具有高容量、高电压平台、安全性能好、循环寿命长、绿色无污染等重要优点，使其在便携式电子3C设备、纯电动汽车、船舶、空间技术、生物医学工程、物流、国防军工等多方面得到了广泛应用，成为近10年及未来一段时间广为关注的新能源领域研究热点。目前大力发展新能源汽车行业已经上升到国家战略高度，我国已提出了电动车发展方向、主要任务、战略目标及相关配套政策措施，新能源汽车行业发展正面临巨大的历史机遇；因而锂离子电池中不可缺失的负极材料，同样拥有不可估量的光明前景。负极材料作为新能源汽车动力电池的核心材料之一，对新能源汽车的最终性能起着至关重要的作用。动力锂离子电池的性能优化需要依托于负极材料技术的创新突破，因此高性能负极材料的研究成为当前锂离子动力电池最为活跃的板块之一。本文从锂离子电池工作原理、负极材料分类及发展、未来展望等3个方面介绍。

一、锂离子电池

锂离子电池是一种可充电二次电池，主要由正极、负极、电解液、隔膜和集流体等主要5部分组成。正负极材料主要功能是使锂离子较自由的脱出/嵌入，从而实现充放电功能。锂离子电池工作原理如图1所示，充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液嵌入到对应的负极材料中，同时电子从正极流出经过外电路流向负极；锂电池放电时，锂离子从负极脱出，经过电解液重新嵌入到正极材料中，同时电子经过外电路从负极流向正极。因而锂电池的充放电过程本质就是锂离子在正负极之间的脱锂和嵌锂的过程。在理想状态下，认为在正负极材料之间的脱锂和嵌锂过程不会引起正负极材料结构的损坏，可以视作是充放电过程可逆。

锂电池优点如下：能量密度大，可达120～260Wh/kg；工作电压高，3.6～3.7V；自放电率低，年自放电低于10%；无记忆效应，可以随时充、放电；使用寿命长，超过1 000次，可达2 000次；绿色环保，不含镉、铅、汞等重金属。 龙源期刊网

第６Ｏ卷第２期　２　０　０　８年５月　有　色　金　属　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｖ０】．６Ｏ．Ｎｏ．２　Ｍａｙ　２　０　０　８　

锂离子电池负极材料的研究及应用进展　

马荣骏　

（长沙矿冶研究院，长沙４１００１　２）　

摘　要：锂离子电池是应用最佳和最有发展前途的能源，用于该电池材料的研究是极为重要的课题。相对而言，正极材料研　究较多，负极材料研究较少，其实正、负极材料对锂离子电池具有同样的重要性，为了引起有关人员的注意，对锂离子电池负极材　料的研究与应用进行了归纳与评述。　关键词：电化学工程；锂离子电池；综述；负极材料　中图分类号：ＴＭ９１０　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０２１１（２００８）０２—００３８—０８　

锂离子电池（Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｉｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｙ，缩写为　

ＬＩＢ），按其形像又称为摇椅电池（Ｒｏｃｋｉｎｇ　Ｃｈａｉｒ　Ｂａｔ．　

ｔｅｒｉｓ，缩写为ＲＣＢ）是当今最佳的电池能源，也是应　

用最广和最有发展前途的能源。因它符合环保要　

求，又有绿色能源的美称，对其研究颇多。在ＬＩＢ　

研究中，最多的是关注在阳极材料上。对负极材料　

的研究相对较少。其实负极与正极对锂离子电池具　

有同等的重要性　＿３］。为了引起有关人员对锂离　

子负极材料的关注，扼要归纳与总结了锂离子电池　

负极材料的研究与应用情况。　

１　锂离子电池的组成及常用的材料　

锂离子电池由４部分组成。即正极、负极、隔膜　

及电解液，组成及使用的材料如表ｌ所示。　

在正、负极材料的选择上，正极材料必须选择高　

电位的嵌锂化合物，负极材料必须选择低电位的嵌锂　

化合物。在ＬＩＢ使用和研究的负极材料如下所示。　

ＬＩＢ负极　天然鳞片石墨　ｒ■·石墨材料—＿｛　炭材料—　人造石墨　无序碳　

广－　Ｂ—Ｃ—Ｎ系化合物　含碳化合物—　Ｌ■　Ｃ—Ｓｉ—Ｏ系化合物　

广ｌ－＇金属氧化物　非炭材料—　锂一过滤金属氰化物　｛ｌ　Ｌ１．．钽合金　

收稿日期：２００６一Ｏ７—３１　作者简介：马荣骏（１９３１一），男，河北大城县人，教授，博士生导师，　斯洛伐克善家工程院院士，主要从事湿法冶金、环保和　冶金新材料等方面的研究。　在ＬＩＢ负极材料中。实际最常用，而应用最多　

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锂离子电池新型负极材料的研究

本文着重介绍了锂离子电池负极材料金属基（Sn基材料、Si基材料）、钛酸锂、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）的性能、优缺点及改进方法，并对这些负极材料的应用作了进一步展望。

锂离子电池因具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电小及环境友好等显著优点，已被广泛用于3C电子产品(Computer，ConsumerElectronic和Communication)、储能设备、电动汽车及船用领域。

锂离子电池的能量密度（170Wh/kg），约为传统铅酸蓄电池的3～4倍，使其在动力电源领域具有较强的吸引力。

而负极材料的能量密度是影响锂离子电池能量密度的主要因素之一，可见负极材料在锂离子电池化学体系中起着至关重要的作用，其中研究较为广泛的锂离子电池负极材料为金属基（Sn基材料、Si基材料）、钛酸锂、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）等负极材料。

金属基材料

1.1锡基材料

目前锡基负极材料主要有锡氧化物和锡合金等。

1.1.1锡氧化物

SnO2因具有较高的理论比容量（781mAh/g）而备受关注，然而，其在应用过程中也存在一些问题：首次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应（体积膨胀250%～300%）、循环过程中容易团聚等。

研究表明，通过制备复合材料，可以有效抑制SnO2颗粒的团聚，同时还能缓解嵌锂时的体积效应，提高SnO2的电化学稳定性。

Zhou等通过化学沉积和高温烧结法制备SnO2/石墨复合材料，其在100mA/g的电流密度下，比容量可达450mAh/g以上，在2400mA/g电流密度下，可逆比容量超过230mAh/g，

实验表明，石墨作为载体，不仅能将SnO2颗粒分散得更均匀，而且能有效抑制颗粒团聚，提高材料的循环稳定性。

1.1.2锡合金

SnCoC是Sn合金负极材料中商业化较成功的一类材料，其将Sn、Co、C三种元素在原子水平上均匀混合，并非晶化处理而得，该材料能有效抑制充放电过程中电极材料的体积变化，提高循环寿命。 - 2 -