鋰電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展及展望分析

摘 要：在人類探求出的已知金屬當(dāng)中，鋰元素的原子量不僅是最小的，而且里面的金屬也是最輕的。因為鋰元素自身擁有的電極電位以及電化學(xué)當(dāng)量是非常高的，而且鋰元素電化學(xué)的比能量擁有著相當(dāng)高的密度，因此，若是將鋰元素與一些適當(dāng)?shù)恼龢O材料進(jìn)行匹配，就可以得到高能量的電池。自從鋰電池被商品化之后，對鋰電池負(fù)極材料的研究，主要分為以下七種：即鋰電池的硅基材料、鋰電池的氮化物、鋰電池的石墨化碳材料、鋰電池的錫基材料、鋰電池的新型合金材料、鋰電池的無定型碳材料以及鋰電池其他方面的材料。在此背景下，本文對鋰電池當(dāng)中的這些負(fù)極材料進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行了展望分析。

關(guān)鍵詞：鋰電池;負(fù)極材料;研究進(jìn)展

隨著現(xiàn)代化社會以及現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，人類在能源方面的需求量也在與日俱增，久而久之，礦物能源將會面臨著枯竭的風(fēng)險。在這樣的形勢之下，由于鋰電池?fù)碛兄踩阅芎?、高電壓、循環(huán)壽命長以及高容量的特點，因此，應(yīng)用鋰電池不僅可以讓能源危機(jī)得到緩解，而且還能使環(huán)境污染的壓力得到減輕。由正負(fù)極以及電解質(zhì)這三部分就組成了鋰電池。因此，在鋰離子二次電池當(dāng)中的負(fù)極材料首先能夠得到人類應(yīng)用的就是金屬鋰材料，其次才是合金材料。但是，不管是金屬鋰材料，還是合金材料，根本就解決不了鋰電池的安全性能，在這樣的形勢下，自然而然的就誕生了鋰電池負(fù)極材料中的碳材料。

1 鋰電池中的負(fù)極材料

1.1 鋰電池中的碳材料

應(yīng)用在鋰電池中碳材料的負(fù)極材料主要包括了以下三種：即石墨材料、無定型碳材料以及碳納米管材料。在這些鋰電池碳負(fù)極材料當(dāng)中，石墨材料又可以分為天然的、人造的以及石墨化碳這三種;無定型碳材料又可以分為硬碳跟軟碳兩種;而碳納米管材料則是根據(jù)自身壁的多少，分為多壁碳納米管和單壁碳納米管兩種。在石墨化碳材料中插入鋰元素的行為研究早在上個世紀(jì)50年代的中期就開始了。在石墨化碳材料中插入鋰元素這一過程在首次循環(huán)的時候，因為在固體形勢下的電解質(zhì)界面膜或者是界面上的保護(hù)層得以形成，使得鋰的插入量比可以逆脫而出的量要高些，但在之后的循環(huán)過程當(dāng)中，這兩者基本上是相等的。在所有商品化的碳材料當(dāng)中，最有實力的碳材料就非石墨化中間相微珠莫屬了。但是，石墨化中間相微珠的碳材料也存在著一些不足之處，比如在PC電解液當(dāng)中循環(huán)的時候，會發(fā)生分解的現(xiàn)象。這種時候，就可以通過元素（比如S元素、B元素、F元素）之間的摻雜來處理，或者也可以采取與金屬復(fù)合的方式。因為在碳材料中插入鋰元素的安全性能比較好，電極電位會比較低，并且循環(huán)的效率比較高，所以在電池商業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中，碳材料成為了人類的第一選擇。

1.2 鋰電池中的合金材料

鋰元素可以與許多的金屬M（比如Ca金屬、Mg金屬、Sn金屬、Al金屬等）在室內(nèi)溫度的環(huán)境之下，形成金屬之間的化合物。但是，在一般情況下，鋰合金的形成是可逆反應(yīng)的，所以，從理論上來說，能夠與鋰元素形成合金的過渡金屬，都可以當(dāng)作鋰電池當(dāng)中的負(fù)極材料。但是，因為鋰元素與這些金屬在形成合金的這一過程當(dāng)中，這些金屬的體積會發(fā)生比較大的變化，使得鋰元素在充電或者是放點的過程中出現(xiàn)反復(fù)脫嵌的現(xiàn)象，最終會降低材料的機(jī)械強度，使得鋰元素的循環(huán)性能降低。因此，在鋰電池負(fù)極材料領(lǐng)域的研究中，引起人類廣泛關(guān)注的就是活性復(fù)合合金體系的研究以及非活性復(fù)合合金體系的研究。這些復(fù)合合金體系主要集中在Sn基合金材料、Sb基合金材料以及Sn基復(fù)合物、Sb基復(fù)合物當(dāng)中。

1.3 鋰電池中的鈦氧化物

在目前人類研究鋰電池負(fù)極材料中的鈦氧化物當(dāng)中，主要包括了堿硬錳礦鈦氧化物、金紅石鈦氧化物、板鈦礦多種結(jié)構(gòu)的鈦氧化物以及銳鈦礦鈦氧化物。而鈦氧化物與鋰元素的復(fù)合型氧化物就包括了尖晶石、斜方相以及銳鈦礦。在鈦氧化物的三元系化合物當(dāng)中，鋰電池負(fù)極材料的研究領(lǐng)域中被人類研究較為頻繁的就是尖晶石的復(fù)合型氧化物。尖晶石的復(fù)合型氧化物是由低電位過渡金屬鈦以及金屬鋰兩種氧化物組合而成的，并且組成之后的尖晶石復(fù)合型氧化物是一種有著缺陷的尖晶石結(jié)構(gòu)。這種存在缺陷的尖晶石結(jié)構(gòu)是一種不導(dǎo)電的白顏色晶體，表面的結(jié)構(gòu)是立方體的，屬于典型的AB2X4系列，因為擁有著鋰離子身上的三維擴(kuò)散通道，所以這種尖晶石復(fù)合型氧化物可以在空氣當(dāng)中穩(wěn)定的存在。在鋰離子嵌入-脫嵌的這一整個過程當(dāng)中，尖晶石復(fù)合型氧化物材料中的晶體結(jié)構(gòu)，可以讓穩(wěn)定的性能始終得到高度性的保持，而鋰離子不管是在嵌入之前，還是在嵌入之后，都可以成為尖晶石結(jié)構(gòu)，并且尖晶石規(guī)格的常數(shù)不會有很大的變化，尖晶石的體積變化也不會很大，一般情況下，尖晶石的體積變化都是在小于1%以內(nèi)的，所以尖晶石復(fù)合型氧化物也被稱作為“零應(yīng)變”的電極材料，因此，尖晶石復(fù)合型氧化物的研究價值是非常廣泛的。

2 展望

從人類對鋰電池應(yīng)用的短期間來看，鋰電池仍然將會是人類應(yīng)用最為廣泛的便攜式二次電池。因此，鋰電池在人類應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展形勢之下，人類對鋰電池的材料以及鋰電池的制備方面，提出的要求將會越來越高。因此，對鋰電池中的負(fù)極材料來說，處于商品化的石墨類碳材料存在著可燃性差、存儲鋰能量的容量較低等問題。因此，在這樣的環(huán)境下，能夠開發(fā)出性能更加優(yōu)秀的非碳負(fù)極材料，才是鋰電池課題研究中的重點話題之一。尖晶石材料中的晶體結(jié)構(gòu)，可以讓穩(wěn)定的性能得到高度性的保持，而鋰離子不管是在嵌入之前，還是在嵌入之后，都可以成為尖晶石結(jié)構(gòu)，并且尖晶石規(guī)格的常數(shù)不會有很大的變化，尖晶石的體積變化也不會很大，因此，尖晶石的研究價值是非常廣泛的。尖晶石可以引入到碳材料中，也可以引入到導(dǎo)電聚合物中，或者是引入到導(dǎo)電無機(jī)粒子所形成的復(fù)合材料中，不僅可以將材料中的導(dǎo)電率同步提升、還可以讓材料中的存儲鋰容量以及循環(huán)穩(wěn)定性能得到同步提升。因此，人類應(yīng)用在大規(guī)模生產(chǎn)的廉價制備的負(fù)極材料以及復(fù)合技術(shù)是鋰電池負(fù)極材料研究領(lǐng)域當(dāng)中的重點。

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作者簡介：陳三仔（1998-），男，漢族，湖北荊州人，本科，研究方向：電池電極。