锂离子电池负极材料研究进展

锂离子电池负极材料研究进展

雷黎

广东省东莞市质量监督检测中心 广东东莞 523000

摘要：众所周知，锂离子电池一般都很质轻、寿命长、集中高能量密度等，所以，很好地满足了电器设备的微小型化的发展所需。而锂离子电池之所以成功获得广泛应用，最关键之处就是锂离子电池产品的负极材料。为此，本文立足锂离子电池，主要探讨了其负极材料的有关研究进展，仅供参考。

关键词：负极材料；锂离子；电池

伴随社会的变迁，能源危机、环境问题也越来越严峻^[1]。所以，急需研制开发优质储能材料、大幅提升可再生能源的整体利用率。作为十分理想的一种储能材料，锂离子电池因其具有更长循环、大能量密度、强热稳定、微弱记忆效应等优势，而变成新能源研究中的一大热点。尤其是其中很关键的负极材料更是备受电池研究人员所关注^[2]。

一、锂离子电池的概述

在锂离子电池中，正负极、隔膜、电解液属于主要的构成部分^[3]。隔膜作为高聚物膜，主要用于分隔正负极。同时，隔膜还很稳定，能阻断活性物质下有关的电池短路，并拥有很理想的绝缘与导电能力。当前，常见的电解质有固、液体、凝胶类型的电解质，并显著弱化电池体系性能^[4]。当前，常用的锂离子新型电池体系的正极材料的整体电化学与安全性能很理想，且呈现出环境友好等方面的特征。而作为优化循环过程、增大电池容量的重要因素，电池负极材料和整个锂离子电池所具备的性能关联紧密。所以，在当前的锂离子电池内，应特别注意负极材料。

二、锂离子电池领域研究负极材料的实践进展分析

1、碳材料

当前，在锂离子电池之中，以无定型碳、各种石墨、碳纳米管等碳负极材料为主。其中的石墨又存在天然、人造类型石墨、各种石墨化碳；在无定型碳中，则存在软、硬上的分别；基于壁的多少，又可将碳纳米管划分成单壁、多壁碳纳米管。

而伴随原材料种类的改变，也出现了很多的负极石墨化碳材料。其中很经典的材料有MCMB(中间相石墨化微珠)、石墨化碳纤维、天然石墨。从上世纪中期伊始，往石墨化碳材料直接插入锂的课题研究便有出现。在面向石墨直接插入锂时，针对首次循环而言，因其中的固体电解质有出现各种保护层或界面膜，令其融合锂的量可以超过相应的可逆脱出量，并且在后续的循环中，二者大体一致。在商品碳材料内，以MCMB最优。然而，也暴露出一定的问题，比如，位于PC电解液中会循环分解，能基于掺杂元素、与金属相复合、分析处理、适当膨化等予以改进。

现阶段，锂插入碳材料呈现出很低的极电位、可靠安全、非常高的循环效率、能多次循环等特点，所以，电池商业界选碳材料为理想的应用对象。其中，碳材料会与电解液相连接，而在表面结构的影响下极易将电解液加以分解，并弱化界面稳定度。

2、钛氧化物

当前，锂离子电池领域对于负极材料展开研究所涉及的钛氧化物以以下结构体系：碱硬锰矿、金红石以及锐、板钛矿。而相应的钛复合锂的物质则以LiTi₂O₄、Li_0.5TiO、Li₄Ti₅O₁₂、Li₂Ti₃O₇为主。在Li—Ti—O系统内，首次充放电体系容量与整个循环环节可逆容量的大小变化和nLi/nTi显著相关。

倘若nLi/nTi波动在1/2~4/5之间，则具有常数下的首次充放电体系容量。其中当提升nLi/nTi后，则可以扩大可逆容量；如果nLi/nTi位于4/5~2之间，则当上提nLi/nTi，则会缩减首次充放电容量大小、循环中所呈现的可逆容量。在以上过程中，以4/5的nLi/nTi为拐点，并且是有别于Li2TiO3、TiO₂的一个相。因此，在Li--Ti—O系统内，对负极材料研究主要集中在Li4Ti5012物质领域。以上物质为金属锂和钛一起组合而成的有缺陷问题的尖晶石体系结构，是AB2X4系列，无法导电、具有白色晶体结构体系，结构为面心立方体，具有Fd3m的空间点阵群。其中，含有从三维上扩散锂离子的通道，并能够在空气中稳定，属于固溶体体系下的物质。在嵌入一脱嵌锂离子中，可以维持尖晶石的稳定性晶体结构，嵌入前后锂离子均属于尖晶石结构，且较少更改晶格常数，存在很小的体积改变情况(<1％)，因此号称“零应变”材料，研究价值相当可观。

3、合金

通常而言，锂合金形成的过程均具有可逆的性质。为此，根据理论研究可知，可与锂组合而成合金的过渡金属均可用作当前锂电池体系的负极材料。而在合金生产中，却会有显著的体积变化情形，并陷锂充放电于反复多次脱嵌的情形中，而弱化材料机械强度、降低循环性。如若以含有金属的各种物质来替代负极中的纯金属，便能大幅改善整个电池的循环特性。因此，面对锂电池负极部位，各式各样的合成材料很受重视，其中主要就是以下类型的物质：

（1）新型Sn基合金。在这种合金中，含有Sn、锂原子各一个、四个，其中的总容量大小远在碳负极之上。总的来看，这种负极材料的优点有：具有1.0～0.3V的嵌锂电势，可很好地处理大规模充放电环节发生锂沉积而显露出来的枝晶缺陷；从充放电产生的共嵌入，能够灵活选取溶剂；较大的储锂容量。

（2）新型Si基合金。当直接嵌入锂时，会迫使硅出现Li₄₄Si合金（锂含量巨大），从当前的理论研究上看已经上升至4200mAh/g容量（属业界最大容量值）。

（3）新型Sb基合金。据理论研究显示：锑首次嵌锂可达到660mAh/g大小的容量值，而且相应嵌锂电势大约是0.8V，有着锑嵌脱锂平台，可产生非常稳定的一种电压。但是，一旦这种合金呈现嵌脱锂情形，却会因体积急剧变化而发生粉化，进而使容量骤然衰减。

（4）其余类型合金。联合Al基所产生的合金还有Al₂Cu、Al₆Mn、AlNi等之类的系列性质合金物质。

4、其余负极材料

在氮化锂中，离子导电性很好，电极电势与锂靠近，也是可能用来充当锂离子电池体系的负极材料。现阶段，在锂电池行业，研究开发的氮化物负极原材料主要会涉及反萤石类型的物质，如Li3FeN2、Li7MnN4，还有Li3N（从属于Li3-xCoxN），并且以Li7MnN4、Li3FeN2可逆性很徍，但是却存在相对较小的比容量值，而还附带有偏正类型的放电体系电势。

当前，NbO、NbO2、ZnO、LiNbO3等薄膜负极材料也成为研究热点，主要充当微电池负极材料。此外，含有VO2、Cr2O等的氧化物以及磷化物等方面的负极材料。

结语

综上所述，当前作为绿色能源之一，锉离子电池的需求量越来越大。同时，人们对电池材料也提出了更高的要求，尤其是对于负极材料，研发出来大比容量、强循环性且经济实惠型的负极是锂离子电池进一步发展中的一大核心问题。所以，在对锂离子电池展开研究的进展中，需要集中精力改善负极核心材料，并以来不断优化锂离子电池整体性能。

参考文献

[1]姚煜,张楙慧.高倍率锂离子电池材料研究进展[J].电源技术,2019,43(03):511-514.

[2]严旭明,冯光炷,黄雪.锂离子电池负极材料的制备及应用进展[J].化工新型材料,2019,47(07):22-25.

[3]李相哲,苏芳,徐烨玲.锂离子动力电池材料研究进展[J].电池工业,2018,22(03):138-146.

[4]周忠仁,张英杰,董鹏,李普良,李伟,刘存志.锂离子电池负极材料研究概述[J].有色设备,2020(02):7-11.

[5]郑时有,董飞,庞越鹏,等.纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料研究进展[J].无机材料学报,2020,35(12):1295-1306.