鋰電池各種負極材料性能、優(yōu)缺點及改進特性分析

時間：2020-06-29

為了提高硅電極的電化學性能，通常有如下途徑：制備硅納米材料、合金材料和復合材料。如Ge等采用化學刻蝕法制備了硼摻雜的硅納米線，在2A/g充放電電流下，循環(huán)250周后容量仍可達到2000mAh/g，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，歸因于硅納米線的鋰脫嵌機制能有效緩解循環(huán)過程中的體積膨脹。Liu等通過高能球磨法制備了Si-NiSi-Ni復合物，然后利用HNO3溶解復合物中的Ni單質(zhì)，得到了多孔結(jié)構(gòu)的Si-NiSi復合物。

通過XRD表征可知，體系中存在NiSi合金，其不僅為負極材料提供了可逆容量，還與粒子內(nèi)部的孔隙協(xié)同，緩沖硅在充放電循環(huán)過程中的體積膨脹，提高硅電極的循環(huán)性能。Lee等采用酚醛樹脂為碳源，在氬氣氣氛下于700℃高溫裂解，制備了核殼型Si/C復合材料，經(jīng)過10次循環(huán)后復合物的可逆容量仍可達1029mAh/g，表明采用Na2CO3在硅表面與酚醛樹脂間形成共價鍵，然后進行高溫裂解，可改善硅與裂解碳間的接觸，從而提高負極材料的循環(huán)性、減小不可逆容量損失。

SnCoC是錫合金負極材料中商業(yè)化較成功的一類材料，其將Sn、Co、C三種元素在原子水平上均勻混合，并非晶化處理而得，該材料能有效抑制充放電過程中電極材料的體積變化，提高循環(huán)壽命。如2011年，日本SONY公司宣布采用Sn系非晶化材料作容量為3.5AH的18650圓柱電池的負極。單質(zhì)錫的理論比容量為994mAh/g，能與其他金屬Li、Si、Co等形成金屬間化合物。如Xue等先采用無電電鍍法制備了三維多孔結(jié)構(gòu)的Cu薄膜載體，然后通過表面電沉積在Cu薄膜載體表面負載Sn-Co合金，從而制備了三維多孔結(jié)構(gòu)的Sn-Co合金。

該材料的**放電比容量為636.3mAh/g，**庫倫效率達到83.1%，70次充放電循環(huán)后比容量仍可達到511.0mAh/g。Wang等以石墨為分散劑，SnO/SiO和金屬鋰的混合物為反應物，采用高能機械球磨法并經(jīng)后期熱處理，制備了石墨基質(zhì)中均勻分散的Sn/Si合金，該材料在200次充放電循環(huán)后，其可逆容量仍可達574.1mAh/g，性能**單獨的SnO或SiO等負極材料。

SnO2因具有較高的理論比容量（781mAh/g）而備受關(guān)注，然而，其在應用過程中也存在一些問題：**不可逆容量大、嵌鋰時會存在較大的體積效應（體積膨脹250%～300%）、循環(huán)過程中容易團聚等。

研究表明，通過制備復合材料，可以有效抑制SnO2顆粒的團聚，同時還能緩解嵌鋰時的體積效應，提高SnO2的電化學穩(wěn)定性。Zhou等通過化學沉積和高溫燒結(jié)法制備SnO2/石墨復合材料，其在100mA/g的電流密度下，比容量可達450mAh/g以上，在2400mA/g電流密度下，可逆比容量**過230mAh/g，實驗表明，石墨作為載體，不僅能將SnO2顆粒分散得較均勻，而且能有效抑制顆粒團聚，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

綜上所述，近年來，鋰離子電池負極材料朝著高比容量、長循環(huán)壽命和低成本方向進展。金屬基（錫基、硅基）材料在發(fā)揮高容量的同時伴隨著體積變化，由于金屬基合金材料的容量與體積變化成正比，而實際電芯體積不允許發(fā)生大的變化（一般小于5%），所以其在實際應用中的容量發(fā)揮受到了較大的限制，解決或改善體積變化效應將成為金屬基材料研發(fā)的方向。

鈦酸鋰由于具有體積變化小、循環(huán)壽命長和安全性好等顯著優(yōu)勢，在電動汽車等大型儲能領(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于其能量密度較低，與高電壓正極材料LiMn1.5Ni0.5O4匹配使用，是未來高安全動力電池的發(fā)展方向。

碳納米材料（碳納米管和石墨烯）具有比表面積、高的導電性、化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，在新型鋰離子電池中具有潛在的應用。然而，碳納米材料單獨作為負極材料存在不可逆容量高、電壓滯后等缺點，與其他負極材料復合使用是目前比較實際的選擇。

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