鋰離子電池負極材料研究分析

＊李亞玲

（廣東風華新能源股份有限公司 廣東 526040）

鋰電子電池以石墨材料、碳元素材料作為負極，鈷酸鋰作為正極，具有高比能、自放電性小、沒有記憶等優(yōu)點，因而被人們作為手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦等便攜電子產品的電源使用。但是從實際情況來看，碳質負極鋰電池離子二次電池第一次充電時負極表面形成的固體電解質膜會讓電池內部的阻抗增加，且作為動力電池還存在能量小、功率低下和使用壽命短暫的特點。為了能夠提升鋰電子電池的使用性能，文章現(xiàn)著重就鋰電子電池負極材料的使用問題進行探究。

1.鋰離子電池負極材料的基本特點

鋰電子電池負極材料對鋰離子電池性能的提升有著十分重要的作用，鋰電子負極材料在使用的過程中要具備以下幾個條件：第一，鋰離子負極材料要為層狀結構或者隧道結構，這樣結構能夠使得鋰離子脫嵌，并在鋰離子出現(xiàn)脫出、嵌入時不會出現(xiàn)明顯的結構變化，從而使得鋰離子電池電極具備良好的充放電能量，提高電池的使用壽命。第二，鋰離子要能夠盡可能多的完成嵌入和脫出，從而使得電子具有較高的可逆性。同時，在鋰離子脫嵌的過程中電池本身要能夠實現(xiàn)平穩(wěn)的充電和放電。第三，第一次不可逆電池的放電量比較小。第四，鋰離子電池負極材料要具備較強的安全性能。第五，鋰離子電池材料和電解質溶劑的相容性比較好。第六，鋰離子電池負極材料資源獲取豐富、多樣，價格低廉。

2.鋰離子電池負極材料的基本類型

(1)碳材料

①石墨。碳材料按照結構可以劃分為石墨和無定形碳元素。石墨是鋰離子電池常用的碳負極材料，具備良好的導電性和結晶度，且石墨本身還具備完整的層狀晶體結構，十分適合鋰離子的嵌入和脫出。在工業(yè)領域會選擇多鱗片的石墨來作為碳負極原材料。

②無定形碳。常見的無定形碳包含有機聚合物熱解碳、樹脂碳等，近幾年，伴隨研究的深入發(fā)展，在改善鋰離子電池負極無定形材料性能方面取得了突破性進展。使用晶體生長熱法制備的含有微孔的無定形碳球會顯示出良好的球形形貌、可操控的單分散離子粒徑、光滑的表面，逆容量會達到每克430mAh，在第一次庫侖效率達到73%的時候，材料的動力學性能要比中間相碳微球的性能良好。

③中間相碳微球。中間相碳微球是壽命比較長的小型鋰離子電池、動力電池生產加工常用的負極材料之一。但是從實際應用情況來看這類材料具有比容量低、價格高昂的問題，如何降低材料的價格是相關人員在未來生產加工時需要思考和解決的問題。

(2)合金材料

鋰離子中的元素能夠和多個金屬組合形成金屬化合物，但是在一定環(huán)境下鋰合金的形成是可以逆轉的。因此，從理論研究角度上來看，能夠和鋰元素組合成合金的過渡金屬都可以被當作是鋰電池中的負極材料。

在鋰元素和這些金屬形成合金的過程中金屬的體積會出現(xiàn)比較明顯的變化，在這個過程中鋰元素的優(yōu)缺點會被進一步放大，最終會使得鋰元素在充放電的過程中出現(xiàn)比較明顯的脫炭現(xiàn)象，鋰電池負極材料的性能就此會被降低。因此，為了能夠提升鋰電池負極電池的性能需要加大對活性復合金的研究。

(3)鈦氧化物

在鋰電池負極材料研究中所涉及到的鈦氧化物包含金紅石鈦氧化物、板鈦礦結構的鈦氧化物、堿硬錳礦太氧化物。鈦氧化物和鋰元素復合型氧化物包含了尖晶石、斜方相和銳鈦礦，在鈦氧化物三元系化合物中鋰電池負極材料研究中最受人們關注的是尖晶石復合氧化物。

尖晶石復合氧化物從較低電位過度金屬鈦和金屬鋰兩各氧化物組成，形成之后的尖晶復合氧化物存在比較多的缺陷，突出表現(xiàn)為尖晶石結構中的鋰離子會廣泛擴散，且尖晶石復合氧化物會在空氣中長期的存在。在鋰離子負極材料嵌入、脫嵌的過程中尖晶石復合氧化物材料的性能會始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)，且隨著尖晶石規(guī)格的變化尖晶石的參數(shù)也不會出現(xiàn)明顯的變化。

3.負極材料的活性成分、材料尺寸、操作溫度對材料性能的影響

(1)負極材料的活性成分

早期階段鋰離子二次電池直接使用金屬鋰箔片來作為負極，在使用過程中我們發(fā)現(xiàn)在電池充電的時候負極表面形成的金屬鋰容易形成枝狀的晶體，并穿刺隔膜或者電解液層，導致鋰離子電池內部出現(xiàn)短路和漏電問題。鋰離子電池負極材料一般為石墨材料、碳元素材料，安全性和穩(wěn)定性比較高。在電池系統(tǒng)電極電位低于1V的時候，電池內的有機電解質會變得不穩(wěn)定，鋰離子插入石墨層的時候會和電解質發(fā)生反應形成固體電解質鈍化膜，在鈍化膜的作用下能夠穩(wěn)定電池系統(tǒng)。

在高溫的環(huán)境下形成固體電解質膜的副化學反應速率也會加快，電池內部的阻抗會大幅度的提升，最終會使得比容量和功率性快速降低，在快速充放電狀態(tài)下操作時候容易出現(xiàn)因為快速發(fā)熱而出現(xiàn)的失控現(xiàn)象，最終會引發(fā)安全問題。在較低的溫度環(huán)境下如果活性顆粒緊縮，電解液的異離子性能會下降，材料電池內部的阻抗會增大，放電性能力也會降低，在快速充電的狀態(tài)下負極表面容易出現(xiàn)鋰電鍍層。

(2)負極材料的尺度

商業(yè)化發(fā)展的鋰離子電池碳材料活性組分顆粒直徑在2μm到20μm之間，電池循環(huán)使用壽命在一千次左右。在碳元素材料和石墨材料的負極中活性材料顆粒如果太小，雖然能夠增大其比表面積，但是會使得固體電解質膜的生成量增大，最終降低第一次充電可能帶來電池比容量降低和鋰損失問題。在制作鋰離子電池電極的時候還會將分散的碳顆粒材料和粘合劑結合在一起之后，在壓入金屬網流體中的時候會形成負極。由于非活性成分占據了其中一部分的體積和質量，電極異離子和導電子能力會大幅度的降低，最終導致鋰離子電池比容量、比功率性能受到影響。

在納米負極材料制作中，無序納米材料的制作會使用到固相法、高能球磨法、溶膠凝膠法，經過多年的發(fā)展在學術領域發(fā)表了多篇關于高度有序納米陣列負極研究的報道，對氧化鋁模板和球形模板合成的納米陣列電極材料開展了研究。使用等離子輔助模板方法得到的蜂窩狀有序納米線碳電極材料會顯示出較高的倍率性能，電極材料的性能是一般性薄膜電機材料性能的五十倍左右。

4.鋰離子電池負極材料未來發(fā)展的展望

對于鋰離子電池來說，理想的負極材料要滿足以下幾個條件：第一，鋰離子電池負極材料具備良好的鋰離嵌入或者脫離性能，且在使用的時候結構變化比較小。第二，鋰離子電池具備良好的嵌入和脫離反應動力學性能，在使用的過程中會保持比較高的能量密度。第三，鋰離子電池負極材料和Li的電勢比較接近，在配合使用的過程中會獲得比較理想的電池工作電壓。第四，鋰離子電池負極材料和主流電解液的兼容性比較好。第五，鋰離子電池材料具備較強的電子導電性能和離子導電性能。第六，鋰離子電池負極材料的生產原材料豐富多樣，合成電路操作簡單、成本低廉。鋰離子電池負極材料的選擇要充分參考其所在的應用場合和應用環(huán)境，辯證看待各個材料的性能。比如鈦氧化物雖然容量比較低，且充放電動力學的運作比較快，適合被人們用作工業(yè)便攜電子設備的電池材料使用?；谶^渡元素的材料雖然動力學性能不理想，但是材料的質量比容量和體積比容量比較高，更加適合被用來作為大規(guī)模電站儲能材料使用。另外，在研究鋰離子電池新型負極材料的過程中還需要密切關注電化學測試電壓的確定和電壓滯后現(xiàn)象。同時，在處于較低電勢的時候還需要注重關注新型材料和電解液之間的反應。

5.結束語

綜上所述，從人類對鋰電池的短期使用情況來看鋰電池是人類使用最為廣泛的便攜二次電池，伴隨人們生活中對鋰電池的進一步使用，人們對鋰電池材料的加工性能和制備也開始提出更高的要求。在這樣的背景下開發(fā)研究性能優(yōu)異的非碳負極材料是鋰離子電池新型負極材料研究發(fā)展的一個重要方向。尖晶石材料中的晶體結構會進一步提升鋰離子電池的穩(wěn)定性能，在鋰離子嵌入前后尖晶石的規(guī)格大小都不會出現(xiàn)變化，為此，在未來需要相關人員加強對尖晶石材料的使用研究。