锂离子电池负极材料的研究

第２４卷第４期　２０１１年７月　文章编号：１００２～６６７３（２０１　１）０４－０２８—０２　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　机电产品开笈与　霉斤　Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．４　ＪｕＩｙ．，２０１　１　锂离子电池负极材料的研究　冯启路，杜啸岚　（平顶山工业职业技术学院化工系，河南平顶山４６７０００）　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，根据《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，　我国计划用２Ｏ年时间使新能源等七大战略新兴产业整体创新能力和产业发展水平达到世界先进水　平，为经济社会可持续发展提供强有力的支撑。可见我国对新能源的重视已达到战略高度，而电　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。　关键词：锂离子；负极；材料　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０ｏ２—６６７３．２０１１．０４．０１２　０引言　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，根据《国务院关于加快培育和发展战略性　尽可能的少，这样电池的电压不会发生显著变化，可以　保持较平稳的充放电；⑤插入化合物应有较好的电子电　导率和离子电导率，这样可以减少极化并能进行大电池　充放电；⑥具有良好的表面结构，能够与液体电解质形　成良好的固体电解质界面膜；⑦锂离子在主体材料有较　大的扩散系数，便于快速的充放电；⑧价格便宜，资源　丰富，对环境无污染。　新兴产业的决定》，我国计划用２０年时间使新能源等七　大战略新兴产业整体创新能力和产业发展水平达到世界　先进水平．为经济社会可持续发展提供强有力的支撑。　２主要类型及其特点　用作锂离子电池负极材料的种类繁多，根据主体相　的化学组成可以分为金属类负极材料、无机非金属类负　可见我国对新能源的重视已达到战略高度，而电池行业　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。　极材料及金属一无机非金属复合负极材料。　（１）金属类负极材料：这类材料多具有超高的嵌锂　容量。最早研究的负极材料是金属锂，由于电池的安全　问题和循环性能不佳，金属锂在锂二次电池中并未得到　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　应用。目前金属单质还不具有直接用作锂离子电池负极　材料的可行性。锂合金的出现在一定程度上解决了金属　１选材要求　一锂负极可能存在的安全隐患，但是锂合金在反复的循环　过程中经历了较大的体积变化，存储大量的锂时．体积　可膨胀到原来的数倍，极大程度的造成电极粉化．电池　容量迅速衰减，这使得锂合金并未成功用作锂离子二次　电池的负极材料　（２）无机非金属类负极材料：用作锂离子电池负极　般来说．锂离子电池负极材料的选择主要要遵循　以下原则：①插锂时的氧化还原电位应尽可能低，接近　金属锂的电位，从而使电池的输出电压高；②锂能够尽　可能多地在主体材料中可逆的脱嵌，比容量值大：③在　锂的脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确　的无机非金属材料主要是碳材料、硅材料及其它不同非　金属的复合材料　保好的循环性能；④氧化还原电位随插锂数目的变化应　收稿日期：２０１１－０４—２２　碳材料：碳材料主要包括石墨类碳材料和非石墨类　碳材料，这里只介绍石墨类碳材料。　作者简介：冯启路（１９５３一），男，河南新蔡县人，　副教授。　・开发与创新・　从结构上讲，石墨晶体具有典型的层状结构，在每　一稳定性好和安全等突出优点。制备优良Ｃ—Ｓｉ复合材料　的关键有两点：一是硅需要均匀地分布在碳基体中．二　层内，碳原子以ｓｐ　杂化的方式与邻近其它三个碳原　子形成三个共平面的兀键，这些共平面的碳原子在兀键　作用下形成大的六元环网络结构。并连成片状结构，形　是硅的含量要适中，这方面的研究工作正在取得进展。　（３）金属一无机非金属复合负极材料。这类材料主　成二维的石墨层。每个碳原子的未参与杂化的电子在平　面的两侧形成大兀共轭体系；在层与层之间是以分子间　作用力——范德华力结合在一起（理想的石墨层面间距　要包括金属一碳复合物和金属一硅复合物等，这些材料在　嵌锂容量、电极导电性和倍率充放电性能方面明显优于　相应的单相材料。金属与碳的复合可以使材料兼有金属　的高容量和碳材料的优良的循环性能。如金属与碳纳米　管的复合材料不仅可以大幅度增加材料的嵌、脱锂容　约为０．３３５４ｎｍ．碳六元环的相邻原子间距为０．１４１５ｎｍ）。　由于同一层的碳原子以较强的共价键结合，使石墨的熔　点很高（３８５０￣）但由于层间的分子间作用力是非键　量，也可以利用金属与纳米管在充、放电过程中的协同　力，比化学键弱，容易滑动，使石墨的硬度很小并且具　效应改善电极的循环性能。金属一硅复合材料具有很高　有润滑性。同时，由于大兀共轭体系中的电子离域运　的嵌锂容量。但循环性能差。　动，兀电子易流动而具有良好的导电性。　由于锂离子的半径为０．０７８ｎｍ，远小于石墨微晶间　３发展展望　的层间距离，因此。可用充电的方法使锂离子嵌入到石　低成本、高性能、大功率、高安全、环境友好是锂　墨层问．分布在碳原子的六元环中间；也可以用放电的　离子电池的发展方向。锂离子电池作为一种新型能源的　方法脱嵌锂离子。由于锂离子在石墨中的最大理论嵌入　典型代表，有十分明显的优势，同时有一些不足需要改　状态为锂离子分布在所有不相邻的六元环中间，Ｌｉ与Ｃ　进。可以预料，随着研究的深入，从分子水平上设计出　的化学计量比为１：６，因此，石墨负极的理论容量Ｃ。＝　来的各种规整结构或掺杂复合结构的正负极材料以及相　３７２．２２ｍＡ・ｈ／ｇ。　配套的功能电解液将有力地推动锂离子电池的研究和应　石墨类负极材料是商品化锂离子电池常用的负极材　用。锂离子电池将会是继镍镉、镍氢电池之后，在今后　料。不仅结晶度和微观构造影响石墨材料用作锂离子电　相当长一段时间内，市场前景最好、发展最快的一种电　池负极材料的电化学性能．电解液的组成也在很大程度　池。锂离子电池已经创造了辉煌，而未来必将有更大的　上影响其嵌锂容量寿命和倍率充放电性能等。因此，石　辉煌　墨类负极材料的研究焦点主要有：不可逆容量损失的机　理和抑制方法，石墨结构与电化学性能的关系和电解液　参考文献：　体系的最优化等。　【１】李明月，陈科峰．新型锂离子电池材料研究进展叨．化工生产与技　硅材料：硅具有４２００　ｍＡ・ｈ／ｇ。的超高理论嵌锂容　术，２０１０，４．　量，是一类有发展前景的负极材料。然而，单质硅的首　【２】黄可龙，王兆翔，刘素琴．锂离子电池原理与关键技术【Ｍ】．化学工　次不可逆容量特别高，循环性能差。碳可以与硅结合形　业出版社．２００８．　成稳定的Ｃ—Ｓｉ复合材料。使负极材料同时具有高容量，　［３］郑红河．锂离子电池电解质［Ｍ】．化学工业出版社，２００７．　（上接第２２页）　磁盘表面的振动幅度也比较历害。在３０Ｈｚ和６０Ｈｚ时硬　盘都有共振现象。６０Ｈｚ的共振现象比较明显。　４结论　根据硬盘磁记录的工作原理可知，磁头输出电信号　参考文献：　的强弱反应了磁头飞行高低的变化。因此本文通过测试　［１】党根茂．气体润滑技术『Ｍ】．南京：东南大学出版社，１９９０．　硬盘在低频率振动下，磁头电信号的变化情况来分析磁　【２】靳兆文．气体润滑技术及其研究进展阴．ＧＭ通用机械．２００７，３．　【３】（美）伯纯，车晓东，廖嘉霖，金庆原（译）．磁记录原理论【Ｍ】．复旦大　头的飞行姿态变化。由实验分析得出随着激振频率的增　学．２００７．　加，电压输出值的波动也相应得增加，磁头的振动幅度　【４］王翔，蔡长波．硬盘磁记录介质的现状与发展【Ｊ】．材料导报，２０００，１１．　也增大。当激振频率小于２５Ｈｚ时，其电压输出值的波　【５】王辉，黄致新，张峰，等．硬盘磁记录介质的发展与展望阴．信息记　动很小，输出结果有一定的规律性，磁头在磁盘表面的　录材料，２００６，３．　振动波度也很小。因此不影响其信号的读出质量。当频　【６］章吉良．磁记录原理与技术［Ｍｊ．上海交通大学出版社，１９９０．　率大于５０Ｈｚ时．电压输出波动幅度就比较大。磁头在　【７】谢霞玲，滕先伟．硬盘维修从入门到精通【Ｍ】．机械工业出版社，２００９．　２９