鋰電池主要負(fù)極材料有錫基材料、鋰基材料、鈦酸鋰、碳納米材料、石墨烯材料等。鋰電池負(fù)極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的主要因素之一，鋰電池的正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜被稱(chēng)為鋰電池的四個(gè)最核心材料。下面我們簡(jiǎn)單介紹一下各類(lèi)負(fù)極材料的性能指標(biāo)、優(yōu)缺點(diǎn)及可能的改進(jìn)方向。

1.碳納米管

碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短，作為負(fù)極材料在大倍率充放電時(shí)極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

然而，碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問(wèn)題。如Ng等采用簡(jiǎn)單的過(guò)濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負(fù)極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量?jī)H為400mAh/g。

碳納米管在負(fù)極中的另一個(gè)應(yīng)用是與其他負(fù)極材料(石墨類(lèi)、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復(fù)合，利用其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負(fù)極材料的電性能。

2.石墨烯

石墨烯是一種由碳六元環(huán)形成的新型碳材料,具有很多**的性能，如大比表面(約2600m2g-1)、高導(dǎo)熱系數(shù)(約5300Wm-1K-1)、高電子導(dǎo)電性(電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機(jī)械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關(guān)注。

石墨烯直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，具有非�？捎^的電化學(xué)性能。試驗(yàn)室曾采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區(qū)間，表現(xiàn)出電容器的特性。

圖2石墨烯負(fù)極材料

石墨烯負(fù)極材料在1C放電倍率下,首次可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環(huán)后容量仍可達(dá)到460mAh/g。石墨烯還可作為導(dǎo)電劑，與其他負(fù)極材料復(fù)合，提高負(fù)極材料的電化學(xué)性能。

采用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經(jīng)過(guò)700次循環(huán)后，容量分別能達(dá)到450mAh/g和315mAh/g，表現(xiàn)出較高的容量和良好的循環(huán)性能。

3.鈦酸鋰

尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負(fù)極材料，因具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎“零應(yīng)變(脫嵌鋰前后晶胞參數(shù)”a從0.836nm僅變?yōu)?/span>0.837nm)；

2)嵌鋰電位較高(1.55V)，避免“鋰枝晶”產(chǎn)生，安全性較高；

3)具有很平坦的電壓平臺(tái)；

4)化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)和庫(kù)倫效率高。

鈦酸鋰的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了其具有**的循環(huán)性能和較高的安全性，然而，其導(dǎo)電性不高、大電流充放電時(shí)容量衰減嚴(yán)重，通常采用表面改性或摻雜來(lái)提高其電導(dǎo)率。

圖3鈦酸鋰負(fù)極材料

經(jīng)碳包覆的鈦酸鋰具有較小的粒徑和良好的分散性，表現(xiàn)出更優(yōu)的電化學(xué)性能，主要?dú)w因于碳包覆提高了鈦酸鋰顆粒表面的電子電導(dǎo)率，同時(shí)較小的粒徑縮短了Li+的擴(kuò)散路徑。

采用化學(xué)氣相沉積法，在膨脹石墨的孔洞中原位生長(zhǎng)碳納米管，合成了膨脹石墨/碳納米管復(fù)合材料，其首次可逆容量為443mAh/g，以1C倍率充放電循環(huán)50次后，可逆容量仍可達(dá)到259mAh/g。碳納米管的中空結(jié)構(gòu)及膨脹石墨的孔洞，提供了大量的鋰活性位，而且這種結(jié)構(gòu)能緩沖材料在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的體積效應(yīng)。

4.硅基材料

硅作為鋰離子電池理想的負(fù)極材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲(chǔ)鋰比容量高達(dá)4200mAh/g(超過(guò)石墨比容量的10倍)；

2)硅的嵌鋰電位(0.5V)略高于石墨，在充電時(shí)難以形成“鋰枝晶”；

3)硅與電解液反應(yīng)活性低，不會(huì)發(fā)生有機(jī)溶劑的共嵌入現(xiàn)象。

然而，硅電極在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生循環(huán)性能下降和容量衰減，主要有兩大原因：

1)硅與鋰生成Li4.4Si合金時(shí)，體積膨脹高達(dá)320%，巨大的體積變化易導(dǎo)致活性物質(zhì)從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環(huán)性能迅速下降；

2)電解液中的LiPF6分解產(chǎn)生的微量HF會(huì)腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。

為了提高硅電極的電化學(xué)性能，通常有如下途徑：制備硅納米材料、合金材料和復(fù)合材料。

通過(guò)高能球磨法制備了Si-NiSi-Ni復(fù)合物，然后利用HNO3溶解復(fù)合物中的Ni單質(zhì)，得到了多孔結(jié)構(gòu)的Si-NiSi復(fù)合物。

圖4硅基負(fù)極材料

5.錫合金

SnCoC是錫合金負(fù)極材料中商業(yè)化較成功的一類(lèi)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****充放電過(guò)程中電極材料的體積變化，提高循環(huán)壽命。

6.錫氧化物

SnO2因具有較高的理論比容量(781mAh/g)而備受關(guān)注，然而，其在應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題：首次不可逆容量大、嵌鋰時(shí)會(huì)存在較大的體積效應(yīng)(體積膨脹250%～300%)、循環(huán)過(guò)程中容易團(tuán)聚等。通過(guò)制備復(fù)合材料，可以****SnO2顆粒的團(tuán)聚，同時(shí)還能緩解嵌鋰時(shí)的體積效應(yīng)，提高SnO2的電化學(xué)穩(wěn)定性。

近年來(lái)，鋰離子電池負(fù)極材料朝著高比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低成本方向進(jìn)展。金屬基(錫基、硅基)材料在發(fā)揮高容量的同時(shí)伴隨著體積變化，由于金屬基合金材料的容量與體積變化成正比，而實(shí)際電芯體積不允許發(fā)生大的變化(一般小于5%)，所以其在實(shí)際應(yīng)用中的容量發(fā)揮受到了較大的限制，解決或改善體積變化效應(yīng)將成為金屬基材料研發(fā)的方向。

鈦酸鋰由于具有體積變化小、循環(huán)壽命長(zhǎng)和安全性好等**優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車(chē)等大型儲(chǔ)能領(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿�，由于其能量密度較低，與高電壓正極材料LiMn1.5Ni0.5O4匹配使用，是未來(lái)高安全動(dòng)力電池的發(fā)展方向。

碳納米材料(碳納米管和石墨烯)具有比表面積、高的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在新型鋰離子電池中具有潛在的應(yīng)用。然而，碳納米材料單獨(dú)作為負(fù)極材料存在不可逆容量高、電壓滯后等缺點(diǎn)，與其他負(fù)極材料復(fù)合使用是目前比較實(shí)際的選擇。

我們可以提供Fe2O3、Co3O4、TiO2以及金屬硫化物等復(fù)合電極材料；碳負(fù)極材料、合金類(lèi)負(fù)極材料、錫基負(fù)極材料、含鋰過(guò)渡金屬氮化物負(fù)極材料；以及鈦基氧化物及其復(fù)合材料,包括Co摻雜的Li4Ti5O12納米纖維,Pd/CeO2-TiO2納米纖維膜和N-TiO2/g-C3N4復(fù)合材料。

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