锂离子电池中金属氧化物负极的研究进展

锂离子电池正极材料的研究

锂离子电池是一种新型的新绿色二次电池，由于其电压高、容量高、体积小、重量轻、循环寿命长、安全性能好，无记忆效应等优点已广泛应用于各类便携式电子产品(移动电话、PDA、笔记本电脑、ipod 等）中，并将成为电动汽车和混合动力汽车的主要动力源，被认为是最有竞争力和最有发展潜力的二次电池。锂离子电池的关键材料之一是正极材料，目前商品化锂离子电池的正极材料主要是LiCoO2，但存在成本高、实际比容量偏低、抗过充电性能差、安全性能不佳等问题，严重阻碍了锂离子电池的进一步发展，限制了它在更广领域的应用，迫切需要研究者开发出成本低、性能优良、安全性高的锂离子电池正极材料以满足电动汽车等新兴行业的需求。锂离子电池正极材料不仅作为电极材料参与电化学反应，而且是锂离子源。所以，研制高性能的锂离子二次电池的关键是得到高性能的正极材料。目前，锂离子电池的发展方向一方面是对现有材料进行改性以提高其电化学性能，另一方面是新型征集材料的研发。当今研究较多的正极材料主要是过渡金属氧化物和聚阴离子型。特别是后者，因其具有成本低廉、无毒性、循环性能好等特点，已成为世界各国科研人员的研究热点之一。

锂离子电池的正极材料

1.锂钒氧化物(Lil+xV3O8)系统

Lil+xV3O8属于单斜晶系，呈层状结构，空间群为P21m，其结构单元是两层V3O8结构中间夹有锂离子的MXM(V3O8-Li-V3O8)的夹心饼，Li+占据八面体间隙位置。额外的锂离子(与x相对应)嵌入到层间，并占据四面体间隙位置．Lil+xV3O8具有锂的嵌入量大(x可达4.5)、比能量高、放电容量大、可逆性较好等特点。

化学或电化学方法嵌入锂离子合成Lil+xV3O8(--般0.5≤x≤4．5)．当z=4.0它的放电容量高达327mAh／g。但在2.0

2.锂锰氧化物(LiMn204)系统

Lil+xMn204是尖晶石型结构．见图l，氧原子构成立方密堆积(CCP)序列，锂在CCP堆积的四面体间隙位置(8a)，而锰则在CCP堆积的八面体间隙位置(16d)上，锂可以从(LiMn204)骨架提供的二维隧道中进行脱嵌该系统具有制备容易、污染低、价格便宜等特点，因而引起研究者的极大兴趣．

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。

锂离子电池负极材料的研究进展

摘要：随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的枯竭及其一些污染物造成的环境污染，能源已成为影响世界可持续发展的问题。为了解决这一困境，我们需要开发新的可再生绿色能源来取代传统的化石燃料，而锂离子电池作为新一代储能装置，具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、环境污染小、无记忆效应等优点。它是目前最有前途的储能装置之一。负极材料作为锂离子电池的核心部件，决定着锂离子电池的性能，而负极材料在锂离子电池中起着重要的作用。所以，负极材料的研究成为近年来的一个热点。

关键词：锂离子电池；负极材料；研究

1锂离子电池负极材料研究

锂离子电池的性能取决于负极材料的选择，负极作为锂离子电池的重要组成部分。目前，具有实用价值和应用前景的负极材料包括碳材料、锡基氧化物、表面改性锂金属材料、锂过渡金属氮化物等材料。负极材料的已被人们广泛研究，他们在不断地寻找容量高、质量轻、循环性能优良的电池材料。但现在研究重点仍为碳材料和锡基氧化物。

2锂离子电池对负极材料的要求

为了获得高性能的锂离子电池，负极材料需要有以下的特征：

（1）在锂离子的嵌入反应中，由于它的变化小，电位较低，且能接近锂，从而确保锂离子电池能够高性能的、平稳的输出电压；

（2）锂离子在负极材料中应具有较高的扩散速率，以使电池能以较高的倍率充放电，满足动力型电源的需要；

（3）高度可逆的嵌入-脱嵌反应：确保锂离子电池高能量的密度和降低容量的损耗； （4）有优异的电导率、热力学稳定，在与电解质进行混合时，不会发生化学反应，即在电解液中具有良好的化学稳定性和相容性，以保证电池具有良好的循环性能；

（5）良好的加工性能、容易制备、资源丰富、价格低廉，对环境无污染。

3锂离子电池负极材料工艺流程

在制备锂离子电池负极材料的试制方案时,主要着眼于五大方面的工作:高分子碳材料的选取、碳化工艺的确定、石墨材料的制造、超细粉碎、球化分级和包覆改性等试验工作。公司充分利用企业优势,从研究各种碳材料的电性能、石墨化性能以及相关的理化性能入手,结合锂离子电池负极材料的性能指标,分别研究了各种碳黑材料、各种焦炭材料、硬碳材料、软碳材料和天然石墨材料。

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