鋰電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展及展望分析

莊家慶

摘 要：社會(huì)現(xiàn)代化、工業(yè)化的變革發(fā)展，使得我國對能源的需求與日俱增，長此以往，礦能源將會(huì)面臨著枯竭的風(fēng)險(xiǎn)。鋰電池具有良好的安全性、高電壓、循環(huán)壽命長以及高容量的優(yōu)勢，解決了能源危機(jī)的同時(shí)，減輕了環(huán)境污染的壓力。本文主要圍繞鋰電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，并對其展望進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：鋰電池;負(fù)極材料;研究;展望;分析

引言：

人類在探索金屬領(lǐng)域中，最小的原子量即鋰元素，鋰元素所含金屬最輕。其自身具備的電極電位、電化學(xué)當(dāng)量較高。鋰元素電化學(xué)的比能量，有著較高的密度。將鋰元素與材料進(jìn)行科學(xué)、合理地匹配，就得到了高能量的電池。在鋰電池被社會(huì)化、商品化后，對鋰電池負(fù)極材料的研究更是得到了突破性的進(jìn)展。

1.鋰電池發(fā)展概述

1912年美國化學(xué)家吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）提出了鋰金屬電池的研究。20世紀(jì)70年代中，邁克爾？斯坦利？惠廷漢姆（Gilbert N. Lewis）提出并研究鋰離子電池，并成功將其實(shí)用化。鋰電池體積小，具備良好的安全性，且工作電壓高、能量密度高，成為我社會(huì)不可缺少的儲(chǔ)能器之一。信息化時(shí)代下，電子化、信息化成為了社會(huì)領(lǐng)域發(fā)展的必要途徑，鋰電池的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。

根據(jù)工作性質(zhì)可劃分為一次電池、二次電池。一次電池即不可循環(huán)使用的電池，常見的有堿錳電池、鋅錳電池。二次電池實(shí)現(xiàn)了多次充電、放電循環(huán)使用，商業(yè)化應(yīng)用的鉛酸電池、鋰電池都屬二次電池。其中，鋰電池被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是最理想的化學(xué)能源，較比其他二次電池，鋰電池具備了能量密度較高、自放電率小等特點(diǎn)的同時(shí)，突出了綠色環(huán)保優(yōu)勢[1]。

2.鋰電池負(fù)極材料

2.1碳材料

碳材料可分為3大類，其中涵蓋了石墨、無定型碳、碳納米管。

2.1.1石墨材料

石墨分別涵蓋了人造石墨、天然石墨以及中間相碳微球。其石墨負(fù)極材料的性能指標(biāo)如表1所示。

2.1.2 無定型碳材料

無定型分為了硬碳、軟碳倆種;

1）軟碳：高溫條件（>2 500°C）下處理，可以石墨化結(jié)構(gòu)的無定型碳。軟碳材料可逆比容量較高，大于300mah/g，有機(jī)溶劑相容性良好，提升了鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性，適用于大電流密度的鋰電池充放電。

2）硬碳：高溫條件（>2 500°C）下較難處理形成石墨化結(jié)構(gòu)的碳。通常采用了難石墨化的碳材料前驅(qū)體如酚醛樹脂，在900-1100°C條件下熱處理形成。其制備過程中，碳材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)大量晶格缺陷，在嵌鋰中，鋰離子嵌入碳原子層的同時(shí)，嵌入到了晶格的缺陷，導(dǎo)致了硬碳負(fù)極具有較高的比容量，其容量在350-450mAh/g，對鋰電池的容量起到了提升作用[2]。

2.1.3碳納米管

碳納米管具有一定完整性，且自身具備良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱系數(shù)。因其結(jié)構(gòu)特殊，負(fù)極脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短且速度快，在大倍率、大電流充放電中，極化作用較小，對鋰電池的大倍率高速充電、放電有提高的幫助。碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料中，會(huì)存在鋰電池不可逆容量高、首次充放電庫倫效率低、充放電平臺(tái)不明顯等問題。

2.2合金材料

鋰元素可以與許多金屬，在室內(nèi)溫度的環(huán)境下形成金屬之間的化合物，常見的如Ca金屬、Mg金屬、Sn金屬以及AI金屬。在通常情況下，鋰合金的形成是可逆發(fā)應(yīng)。從理論角度出發(fā)，與鋰元素形成合金的過渡金屬，都可以作為鋰電池中的負(fù)極材料。但鋰元素與金屬形成合金的過程中，金屬體積會(huì)出現(xiàn)較大的變化，導(dǎo)致了鋰元素在充放電中，出現(xiàn)了反復(fù)脫嵌的問題，降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致了鋰元素的循環(huán)性受到影響。因此。鋰電池負(fù)極材料研究過程中，對活性復(fù)合合金體系的研究以及非活性復(fù)合合金體系的研究較為關(guān)注，符合合金體系中，主要集中在Sn基合金材料、Sb基合金材料，Sn基復(fù)合物、Sb基復(fù)合物中[3]。

3.展望

結(jié)合社會(huì)對鋰電池的應(yīng)用來看，鋰電池仍然是人類應(yīng)用最為廣泛的主要電池。鋰電池在人類應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展趨勢下，人類對鋰電池的材料、鋰電池的制備方面等要求都會(huì)逐漸提高。鑒于此，鋰電池中的負(fù)極材料，商品化的石墨爐碳材料存在著可燃性較差的問題。在這種環(huán)境下，能夠開發(fā)出高性能更加良好的非碳負(fù)極材料，是鋰電池研究的主要方向之一。此外，信息化時(shí)代下，鋰電池的應(yīng)用場景逐漸擴(kuò)大，基于整體趨勢出發(fā)而論，負(fù)極材料未來會(huì)逐漸朝向高容量密度、低成本以及長循環(huán)方向發(fā)展，全球鋰電池制作業(yè)，也逐漸朝向中國移動(dòng)、傾斜，我國對鋰電池負(fù)極材料產(chǎn)能所占比，將會(huì)得到進(jìn)一步提升，品種也會(huì)朝向豐富化、多元化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳三仔. 鋰電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展及展望分析[J]. 科技風(fēng)， 2020.

[2]黃麗宏， 閔忠華， 張勤勇. 鋰離子電池負(fù)極材料的研究現(xiàn)狀及研究方向[J]. 西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2013.

[3]殷雪峰， 劉貴昌. 鋰離子電池炭負(fù)極材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 炭素技術(shù)， 2004， 23（003）：37-41.