負極材料的特性

 

作為鋰離子電池負極材料，應滿足以下要求。

① 插入鋰時的氧化還原電勢應盡可能低，接近金屬鋰的電勢，從而使電池的輸出電壓高；

② 鋰可以盡可能可逆地脫嵌在主體材料中，具有大的比容量值；

③ 在鋰解吸過程中，主體結構沒有變化或變化很小，以確保良好的循環(huán)性能；

④ 氧化還原電位隨插入鋰的數(shù)量的變化應盡可能小，這樣電池的電壓就不會發(fā)生顯著變化，并且可以保持相對穩(wěn)定的充電和放電；

⑤ 插入化合物應具有良好的電子導電性和離子導電性，可以減少極化，并可以對大型電池進行充電和放電；

⑥ 它具有良好的表面結構，可以與液體電解質形成良好的固體電解質界面（SEI，固體電解質界面）膜；

⑦ 鋰離子在主體材料中具有較大的擴散系數(shù)，便于快速充放電；

⑧ 價格便宜，資源豐富，對環(huán)境無污染等。

 

 

負極材料的分類

 

（1） 根據其組成，負極材料有許多分類方法。根據其組成，可分為兩類：碳負極材料和非碳負極材料。碳材料主要包括石墨和石墨化碳材料，以及非石墨（無定形）碳材料。石墨碳材料包括天然石墨、人造石墨和改性石墨。它們具有良好的層狀結構，插入石墨的鋰離子層之間形成了LixC6層間化合物，理論容量為372mA·h/g，具有良好的電壓平臺，并且沒有電荷（鋰脫嵌）電壓滯后；無定形碳材料根據其石墨化難易程度可分為易石墨化碳材料（也稱為軟碳）和難石墨化碳物質（也稱為硬碳）。非石墨化碳材料和石墨具有不同的儲鋰機制，通常表現(xiàn)出更高的比容量，但電壓平臺更高，存在潛在的磁滯現(xiàn)象，循環(huán)性能不理想。可逆鋰存儲容量通常隨著循環(huán)的進行而衰減得更快。

非碳負極材料包括錫基材料、硅基材料、氮化物、鈦基材料、過渡金屬氧化物和其他新型合金材料。非碳負極材料的開發(fā)主要基于碳基材料的低比容量，無法滿足日益增長的電池容量要求。此外，碳基材料具有低的首次充電和放電效率，并且具有諸如有機溶劑共包埋的缺點。因此，人們在開發(fā)碳材料的同時，也進行了大容量非碳負極材料的研發(fā)。

? 錫基材料包括錫氧化物、錫基復合氧化物、錫鹽、錫酸鹽、錫合金等；

? 硅基材料分為硅、硅氧化物、硅/碳復合材料、硅合金等；

? 鈦基負極材料主要指鈦氧化物，包括TiO2、尖晶石結構的Li+i2O4、Li4/3Ti5/3O4等；

? 氮化物主要指各種過渡金屬氮化物，如Li4/3Ti5/3O4等含鋰負極材料；

? 合金材料包括Sn基、Sb基、Si基、Al基合金材料等。

 

負極材料包括兩種類型的碳材料和非碳材料，分類如下：

碳材料：類石墨碳材料（包括天然石墨、人造石墨、改性石墨）和無定形碳材料（包含易石墨化碳材料和難石墨化碳材）；

非碳材料：錫基材料、硅基材料、酰胺、鈦基材料、過渡金屬氧化物、合金材料。

 

 

（2） 根據負極材料的結構，可分為兩類：結晶材料和非晶（非晶）材料。石墨碳材料結晶度高，屬于結晶性材料；無定形碳材料的結晶度較低，我們將其視為無定形材料。錫基材料中的大多數(shù)氧化錫都是結晶化合物。由于在充放電過程中具有巨大的體積效應，影響材料的結構穩(wěn)定性和循環(huán)性能，氧化錫的改性導致了無定形錫基復合氧化物的出現(xiàn)。硅基材料中的非金屬硅也有兩種類型，結晶硅和非晶硅。其中，非晶硅具有較好的電化學性能，對硅的改性主要針對非晶硅。合金材料根據其結構也可分為兩種類型：結晶材料和非晶材料。

 

（3） 負極材料分為兩類：粉末材料和薄膜材料。到目前為止，研究的負極材料大多是粉末狀材料，對薄膜形態(tài)的研究較少，主要集中在金屬（合金）薄膜、氧化錫薄膜、硅基薄膜等。與粉末電極相比，薄膜電極不需要添加粘合劑和導電劑。這使得薄膜電極能夠更直觀地反映電極材料的性能，同時具有設計簡單、內阻低、充放電性能好的優(yōu)點，使得薄膜電極材料非常有前景。