关于高功率锂离子电池负极材料的研究进展
关于高功率锂离子电池负极材料的研究进展
摘要：随着社会的不断发展，电子产品的不断升级，新能源也被人所普及，电网储能应用环境的复杂性和多样性，高功率、长循环寿命和高安全性已成为锂离子电池的发展方向。作为锂离子电池核心部件的负极材料的锂储存和除锂速率，直接决定着电池的快速充放电能力，直接影响着电池的循环稳定性。论述了大功率锂离子电池负极材料的现状，并对今后大功率负极材料的发展方向进行了分析。
关键词：高功率；锂离子电池；负极材料；研究
引言：
惊蛰节气的风俗随着社会的发展，化石能源不断消耗所带来的能源和环境问题日益严峻。作为新型能源存储与转换器件的代表，锂离子电池具有高密度、高能量、工作电压范围宽、寿命长、自放电小、无记忆效应及环境污染小等优点，被广泛应用于消费电子、动力电池及储能等领域。在市场、政策的双重导向下，高能量密度和高安全性是锂离子电池发展的必然方向，经过几十年的发展，石墨负极的容量发挥已接近其理论容量，所以，发展具有高可逆比容量和稳定电化学性能的负极材料对于高功率锂离子电池负极材料的进一步发展，起着非常重要的作用。
1锂离子电池的概述以及工作原理
锂离子电池是一种较为先进的电化学储能技术，因为它密度高、性能好等优点，被人们广泛地应用，占据消费电子市场。就目前情况来看，我国的能源消耗还是比较大的，对环境的污染也是比较严重，所以可再生能源就被人们所重视了，因而，锂离子电池就被广泛地应用。随着电子产品和新能源汽车的不断推行，以及电网储能应用环境的复杂性和多样性，锂离子电池呈现出大功率、高安全性、长寿命的发展趋势。锂离子电池在充放电过程中，需要不断地对锂元素进行储能和去除。储锂和除锂的速度直接决定了电池的快速充放电能力，影响电池的安全性和循环稳定性。因此，从负极材料储锂原理来看，开发具有良好倍率性能、高安全性和良好循环稳定性的负极材料对于大功率锂离子电池的发展非常重要，提高材料的导电性，提高材料的脱层率是提高材料脱层率的关键。
锂电池的优点：能量密度高，可达120——260瓦时；工作电压高在3.6——3.7V；自放电率低，它的放电量小于10%；无记忆效应，可随时充放电；使用寿命长，可达1000次以上；绿环保，不含镉、铅、汞等重金属。
锂电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入和脱出来工作，实现能
量的存储和释放。电池在充电时，锂离子会在电场的驱动下，从正极中脱出，然后经电解质后嵌入到负极中。放电过程与此相反，锂离子从负极回正极，电子通过用电器由外电路到达正极与锂离子复合。电池放电，此时负极上的电子通过外部电路进入正极，锂离子电池从负极进入到电解液里并到达正极，接受电子还原。
工作原理
2高功率锂离子电池的研究
我国对锂离子动力电池的研究开发起步较晚，就目前情况来看，我国越来越重视对锂离子电池的研发和重点支持和鼓励的项目。目前，锂离子电池的多项指标也达到了USABC提出所设定的指标，锂离子动力电池自主研发地重量在50~80kg以下的，可用于电动自行车、电动摩托车、油电混合动力汽车和油电混合动力汽车等的电动车中，并具有足够好的安全驾驶性能。
3高功率锂离子电池负极材料类型
3.1非碳型高功率负极材料
（1）合金负极
中国省份排名该合金负极比容量高，倍率性能好。但是，合金负极在充放电过程中，它的体积变化幅度是非常大的，使材料容易剥离，导致电池电阻增大，从而降低了电池在电流下的电化学性能。为了解决这疑难题，人们进行了反复的研究，如纳米处理。一些研究人员已经制备了纳米锗和碳复合材料。在功率为500C的时候，比容量仍然达到200毫安。
（2）钛酸锂
从快速充放电的角度来看，钛酸锂的锂离子扩散系数比石墨材料还要大，且具有较高的电极电位，能避免锂沉积和锂枝晶生长，从而为蓄电池高速充放电的安全性提供了良好的保证。然而，钛酸锂是一种绝缘体材料，其电子导电率仅为10-3s/m，这会降低负极材料的速率性能。所以，通过改良来提高导电性，是钛酸锂在电流工作条件下稳定性的关键。
材料的掺杂可以提高速率性能。用Mg2+和Cr3+掺杂钛酸锂，制作的高倍率钛酸锂，温度在30度时，它的容量保持率可达初始容量的百分之五十四。除加入外，钛酸锂与导电性优异的碳材料或金属元素组合，对提高钛酸锂导电性具有显著的成效。与钛酸锂的复合物会以第二次的形式存在于负极材料中，通过在钛酸锂表面涂覆和分散，增强了材料的导电性，提高电池的性能。采用导电性能优异的镀银钛酸锂，钛酸锂材料在30℃度时，它的容量保持率可以达到百分之七十三。在进行循环性能测试时，钛酸锂材料在以不同速率进行多次循环后，其容量几乎不减少，甚至可以达到百分之九十八，其性能高于相关涂层改性材料。
（3）过渡金属氧化物负极
物业费大多数过渡金属氧化物具有高比容量，但在除锂过程中会因体积的变化而损坏电池内部的结构，同时，过渡金属氧化物的除锂动力学很低，会影响其向大功率的进一步发展，过渡金属氧化物材料的优化处理主要在多孔纳米化和与碳材料的复合上。经过多孔纳米处理后，负极材料的的体积将扩大，孔结构将被引入，孔结构可以起到储存电解质的作用，降低锂离子在材料中的迁移阻力，提升材料的快速充放电性能，制备了具有蜂窝状和纳米孔
结构的TiNb2O7。在100度的功率时，材料的比容量可达到160毫安。经过反复的循环试验后，容量保持率仍为84%。过渡金属氧化物与碳材料组合成，不仅能抑制材料的体积膨胀，还能提高材料的导电性。TiNb2O7材料通过碳涂层进行改性，碳材料的高导电性用于提高材料在大电流下的电子迁移率，在30度时，材料的比容量达到200毫安。
4碳型高功率负极材料
（1）石墨
石墨材料具有良好的导电性、高结晶度和良好的层状结构。适合于锂离子的嵌入和剥离，形成锂——石墨层间化合物。充放电容量可达300毫安以上，充放电效率大于90%，不可逆容量小于50毫安。锂在石墨中的插层反应中，电压发生在0～0.25V左右，具有良好的充放电电位平台。锂离子负极材料与LiCo02、LiNi02和LiMn204相匹配。蓄电池的平均输出电压高。它是锂离子电池中使用最多的负极材料。石墨包括人造石墨和天然石墨，人工石墨就是易石墨化的碳，在高温环境下的氮气中，进行石墨化。其中，人造石墨可分为石墨纤维和中间相碳微球。
天然石墨分为无定形石墨和鳞片石墨两种。无定形石墨的纯度比较低，它的间距为0.336纳米，它的排序结构主要以2H晶面排序为主，它是按ABAB……顺序进行排列的；可逆比容量仅260毫安，不可逆比容量在100毫安以上。鳞片石墨的间距为0.335纳米，它的排序结构为2H+3R晶面，比如，ABAB……及ABCABC……，这两种顺序进行排列的，含碳99%以上的片石墨，可逆容量可达300毫安以上。由于石墨的间距小于锂层间化合物Li-GIC的晶面层间距，因此，在电池充放电的过程中，它的间距发生变化，容易导致石墨层剥落和粉碎，锂和有机溶剂一起嵌入石墨层，并被有机溶剂分解，从而影响电池的循环性能。因此，有研究者进行对石墨的其他材料更进一步的研究，比如，改性石墨以及石墨化碳纤维。
（2）软碳
马三立的儿子软碳是一种易于石墨化的碳，这类碳在较高温的环境下，也可以进行石墨化的。软碳结晶度比较低，且晶粒尺寸也比较小，但它的晶面间距稍微的大，与电解液的兼容性良好，此外，在电池第一次充电、放电时，它的不可逆容量高，输出电压低，没有明显的充放电平台电位。常见的软碳包括石油焦、针状焦、碳纤维、碳微球等。
（3）硬碳
硬质碳是指硬质石墨化碳，是聚合物的热解碳。这种碳在较高温的环境下，是很难进行石墨化的。常见的硬质碳炭黑、有树脂碳、有机聚合物热解碳。由于树脂碳的性能较好，被人们常用于锂离子电池的负极材料。由于聚糠醇树脂碳的容量可达400毫安，且它的的晶面间距也相同，有利于锂离子在嵌入的过程中，不会引起结构的膨胀，而且还有良好的充放电循环性能。除此之外，硬碳材料还有一种是非晶半导体材料多并苯，是由酚醛树脂在高温的环境下获得的，它的比容量可达到800毫安，晶面间距为0.37nm以上，对于锂离子的嵌入和脱嵌都是比较容易的，且循环性能也比较好。
5 摩羯座2013年运势展望
锂离子电池应用的领域不断地扩大，我们对于锂离子电池的性能也越来越重视。其中，负极材料也需要朝着高容量密度、低成本、长周期的方向发展。目前，我国锂离子电池负极材料的兼容性还是比较好的，原材料资源也是很丰富的。为了推动锂离子电池技术更进一步地成熟和发展，我们需要对锂离子电池的性能或者存在的问题进行改良，从而能更好的发展锂电池的发展与应用。
碳负极材料的发展正处于鼎盛时期，因而被占据负极材料第一的宝座。碳负极材料的研发和产业化的重点。合金材料和过渡金属化合物具有优良的基因，但也存在许多问题。怎么样运用每种负极材料的优势、性能等问题，都是我们今后要研究的方向。也许在不久的将来，我们的科研成果将淹没在历史的长河中，或许，在研究锂离子电池的过程中，会有一些阻碍，但不可否认，锂离子电池是能源发展史上的一个浓墨重彩的印记。
6结束语
提高锂离子电池的功率性能是比较重要的问题，而提高锂离子电池负极材料的功率是其中的一个重要部分。从锂离子电池负极材料的角度来看，碳负极材料的功率性能，已经不能满足有些领域的应用了。即使合金材料和过渡金属氧化物具有高比容量和高倍率性能的特点，但它们只是解决了功率密度和能量密度问题，但由于电池的体积变化，会影响负极材料的发展。虽然在关于抑制电池体积膨胀问题，已经取得了成果，但从大规模生产准备到实际应用还有一定的距离。所以，怎么样进一步抑制电池体积的膨胀还是今后的主要研究方向。对于负极材料而言，如何提高其电流充放电能力，确保在大电流条件下的容量维持和安全性，依旧是研究人员所研究的重点。作为锂离子电池的负极材料，提高电池倍速性能是对整个锂离子电池行业的发展具有重要意义。
熊炜
参考文献
[1]候志前,龙剑平,舒朝著.锂离子电池锡基负极材料研究进展[J].电子元件与材料,2018,37(01):7-12.
[2]刘浪浪,问娟娟.锂离子电池新型负极材料的研究进展[J].当代化工,2014,43(12):2690-2692.
[3]江宇.石墨烯基材料构筑及其在高性能锂离子电池负极中的应用[D].华南理工大学,2016.
[4]张照旭.锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势的分析[J].科技与创新,2018(04):65-66.
[5]雒琴,赵馨茹,刘桂霞,王进贤,董相廷,于文生.锂离子电池锡基负极材料的研究进展[J].化学通报,2014,77(06):497-501.

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