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鋰離子電池新型負極材料的研究

作者:admin來源:船電技術 日期:2017-4-19 17:02:00 人氣: 標簽:

  本文著重介紹了鋰離子電池負極材料金屬基(Sn基材料、Si基材料)、鈦酸鋰、碳材料(碳納米管、石墨烯等)的性能、優缺點及改進方法,并對這些負極材料的應用作了進一步展望。

  鋰離子電池因具有能量密度高、工作電壓高、循環壽命長、自放電小及環境友好等顯著優點,已被廣泛用于3C電子產品(Computer,ConsumerElectronic和Communication)、儲能設備、電動汽車及船用領域。

  鋰離子電池的能量密度(170Wh/kg),約為傳統鉛酸蓄電池的3~4倍,使其在動力電源領域具有較強的吸引力。

  而負極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的主要因素之一,可見負極材料在鋰離子電池化學體系中起著至關重要的作用,其中研究較為廣泛的鋰離子電池負極材料為金屬基(Sn基材料、Si基材料)、鈦酸鋰、碳材料(碳納米管、石墨烯等)等負極材料。

  金屬基材料

  1.1錫基材料

  目前錫基負極材料主要有錫氧化物和錫合金等。

  1.1.1錫氧化物

  SnO2因具有較高的理論比容量(781mAh/g)而備受關注,然而,其在應用過程中也存在一些問題:首次不可逆容量大、嵌鋰時會存在較大的體積效應(體積膨脹250%~300%)、循環過程中容易團聚等。

  研究表明,通過制備復合材料,可以有效抑制SnO2顆粒的團聚,同時還能緩解嵌鋰時的體積效應,提高SnO2的電化學穩定性。

  Zhou等通過化學沉積和高溫燒結法制備SnO2/石墨復合材料,其在100mA/g的電流密度下,比容量可達450mAh/g以上,在2400mA/g電流密度下,可逆比容量超過230mAh/g,

  實驗表明,石墨作為載體,不僅能將SnO2顆粒分散得更均勻,而且能有效抑制顆粒團聚,提高材料的循環穩定性。

  1.1.2錫合金

  SnCoC是Sn合金負極材料中商業化較成功的一類材料,其將Sn、Co、C三種元素在原子水平上均勻混合,并非晶化處理而得,該材料能有效抑制充放電過程中電極材料的體積變化,提高循環壽命。

  如2011年,日本SONY公司宣布采用Sn系非晶化材料作容量為3.5AH的18650圓柱電池的負極。單質錫的理論比容量為994mAh/g,能與其他金屬Li、Si、Co等形成金屬間化合物。

  如Xue等先采用無電電鍍法制備了三維多孔結構的Cu薄膜載體,然后通過表面電沉積在Cu薄膜載體表面負載Sn-Co合金,從而制備了三維多孔結構的Sn-Co合金。

  該材料的首次放電比容量為636.3mAh/g,首次庫倫效率達到83.1%,70次充放電循環后比容量仍可達到511.0mAh/g。

  Wang等以石墨為分散劑,SnO/SiO和金屬鋰的混合物為反應物,采用高能機械球磨法并經后期熱處理,制備了石墨基質中均勻分散的Sn/Si合金,該材料在200次充放電循環后,其可逆容量仍可達574.1mAh/g,性能優于單獨的SnO或SiO等負極材料。

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