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锂电池主要负极材料特性有哪些?

来源:宝鄂实业    2019-10-29 10:01    点击量:
碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料,自身具有优良的导电性能,同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短,作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小,可提高电池的大倍率充放电性能。 
 
然而,碳纳米管直接作为锂电池负极材料时,会存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题。 如Ng等采用简单的过滤制备了单壁碳纳米管,将其直接作为负极材料,其首次放电容量为1700mAh/g,可逆容量仅为400mAh/g。
 
 碳纳米管在负极中的另一个应用是与其他负极材料(石墨类、钛酸锂、锡基、硅基等)复合,利用其独特的中空结构、高导电性及大比表面积等优点作为载体改善其他负极材料的电性能。 如郭等采用化学气相沉积法,在膨胀石墨的孔洞中原位生长碳纳米管,合成了膨胀石墨/碳纳米管复合材料,其首次可逆容量为443mAh/g,以1C倍率充放电循环50次后,可逆容量仍可达到259mAh/g。 碳纳米管的中空结构及膨胀石墨的孔洞,提供了大量的锂活性位,而且这种结构能缓冲材料在充放电过程中产生的体积效应。
 
石墨烯
 
2004年英国Manchester大学研究者首次发现石墨烯材料,并获得诺贝尔奖。 石墨烯是一种由碳六元环形成的新型碳材料,具有很多优异的性能,如大比表面(约2600m2g-1)、高导热系数(约5300Wm-1K-1)、高电子导电性(电子迁移率为15000cm2V-1s-1)和良好的机械性能,被作为锂离子电池材料而备受关注。 
 
石墨烯直接作为锂电池负极材料时,具有非常可观的电化学性能。 试验室曾采用水合肼作为还原剂、制备了丛林形貌的石墨烯片,其兼具硬碳和软碳特性,且在高于0.5V电压区间,表现出电容器的特性。 
 
石墨烯负极材料
 
 
石墨烯负极材料在1C放电倍率下,首次可逆容量为650mAh/g,100次充放电循环后容量仍可达到460mAh/g。 石墨烯还可作为导电剂,与其他负极材料复合,提高负极材料的电化学性能。 如Zai等采用超声分散法制备了Fe3O4/石墨烯复合材料,在200mA/g的电流密度下放电,经过50次循环后,容量为1235mAh/g;在5000和10000mA/g电流密度下放电,经过700次循环后,容量分别能达到450mAh/g和315mAh/g,表现出较高的容量和良好的循环性能。
 
钛酸锂
 
尖晶石型钛酸锂被作为一种备受关注的负极材料,因具有如下优点:
 
1)钛酸锂在脱嵌锂前后几乎“零应变(脱嵌锂前后晶胞参数”a从0.836nm仅变为0.837nm);
2)嵌锂电位较高(1.55V),避免“锂枝晶”产生,安全性较高; 
3)具有很平坦的电压平台; 
4)化学扩散系数和库伦效率高。 
 
钛酸锂的诸多优点决定了其具有优异的循环性能和较高的安全性,然而,其导电性不高、大电流充放电时容量衰减严重,通常采用表面改性或掺杂来提高其电导率。 如肖等以Mg(NO3)2为镁源,通过固相法制备了Mg2+掺杂的钛酸锂,表明掺杂Mg2+并没有破坏钛酸锂的尖晶石晶体结构,且掺杂后材料的分散性更佳,其在10C放电倍率下的比容量可达到83.8mAh/g,是未掺杂材料的2.2倍,且经过10次充放电循环后容量无明显衰减,经交流阻抗测试表明,掺杂后材料的电荷转移电阻明显降低。 Zheng等通过高温固相法,分别采用Li2CO3和柠檬酸锂作为锂源,制备了纯相的钛酸锂和碳包覆的钛酸锂。
 
钛酸锂负极材料
 
 实验表明,经碳包覆的钛酸锂具有较小的粒径和良好的分散性,表现出更优的电化学性能,主要归因于碳包覆提高了钛酸锂颗粒表面的电子电导率,同时较小的粒径缩短了Li+的扩散路径。
 
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:
 
1)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);
2)硅的嵌锂电位(0.5V)略高于石墨,在充电时难以形成“锂枝晶”;
3)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:
 
1)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,造成电极循环性能迅速下降;
2)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。
 
硅基负极材料
 
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。
 
锡合金
 
SnCoC是锡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。