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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。
如2011年,日本SONY公司宣布采用Sn系非晶化材料作容量为3.5AH的18650圆柱电池的负极。单质锡的理论比容量为994mAh/g,能与其他金属Li、Si、Co等形成金属间化合物。
如Xue等先采用无电电镀法制备了三维多孔结构的Cu薄膜载体,然后通过表面电沉积在Cu薄膜载体表面负载Sn-Co合金,从而制备了三维多孔结构的Sn-Co合金。
该材料的首次放电比容量为636.3mAh/g,首次库伦效率达到83.1%,70次充放电循环后比容量仍可达到511.0mAh/g。
Wang等以石墨为分散剂,SnO/SiO和金属锂的混合物为反应物,采用高能机械球磨法并经后期热处理,制备了石墨基质中均匀分散的Sn/Si合金,该材料在200次充放电循环后,其可逆容量仍可达574.1mAh/g,性能优于单独的SnO或SiO等负极材料。
1.2硅基材料
硅作为锂离子电池理想的负极材料,具有如下优点:硅可与锂形成Li4.4Si合金,理论储锂比容量高达4200mAh/g(超过石墨比容量的10倍);硅的嵌锂电位(0.5V)略高于石墨,在充电时难以形成“锂枝晶”;硅与电解液反应活性低,不会发生有机溶剂的共嵌入现象。
然而,硅电极在充放电过程中会发生循环性能下降和容量衰减,主要有两大原因:硅与锂生成Li4.4Si合金时,体积膨胀高达320%,巨大的体积变化易导致活性物质从集流体中脱落,从而降低与集流体间的电接触,石墨邦,国内首家碳石墨全产业链电商平台----www.shimobang.cn欲交流请加微信号:shimobang造成电极循环性能迅速下降;电解液中的LiPF6分解产生的微量HF会腐蚀硅,造成了硅电极容量衰减。
为了提高硅电极的电化学性能,通常有如下途径:制备硅纳米材料、合金材料和复合材料。
如Ge等采用化学刻蚀法制备了硼掺杂的硅纳米线,在2A/g充放电电流下,循环250周后容量仍可达到2000mAh/g,表现出优异的电化学性能,归因于硅纳米线的锂脱嵌机制能有效缓解循环过程中的体积膨胀。
Liu等通过高能球磨法制备了Si-NiSi-Ni复合物,然后利用HNO3溶解复合物中的Ni单质,得到了多孔结构的Si-NiSi复合物。
通过XRD表征可知,体系中存在NiSi合金,其不仅为负极材料提供了可逆容量,还与粒子内部的孔隙协同,缓冲硅在充放电循环过程中的体积膨胀,提高硅电极的循环性能。
Lee等采用酚醛树脂为碳源,在氩气气氛下于700℃高温裂解,制备了核壳型Si/C复合材料,经过10次循环后复合物的可逆容量仍可达1029mAh/g,表明采用Na2CO3在硅表面与酚醛树脂间形成共价键,然后进行高温裂解,可改善硅与裂解碳间的接触,从而提高负极材料的循环性、减小不可逆容量损失。
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