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鋰離子電池負極材料介紹

所屬分類:技術資訊 責任編輯:東莞市佳研精密設備有限公司 發(fā)表時間:2024-06-15

  鋰電池負極材料由活性物質、粘結劑和添加劑制成糊狀膠合劑后,涂抹在銅箔兩側,經過干燥、滾壓制得,作用是儲存和釋放能量,主要影響鋰電池的循環(huán)性能等指標。
  一.負極材料選擇的要求
  (1)鋰離子在負極基體中的插入氧化還原電位盡可能低,接近金屬鋰的電位,從而使電池的輸出電壓高
  (2)在基體中大量的鋰能夠發(fā)生可逆插入和脫插,以得到高容量密度
  (3)在整個插入/脫插過程中,鋰的插入和脫插應可逆,且主體結構沒有或很少發(fā)生變化,從而確保良好的循環(huán)性能
  (4)氧化還原電位隨x的變化應盡可能小,保持較平穩(wěn)的充電和放電
  (5)插入化合物應有較好的電子電導率(σe)和離子電導率(σLi+),這樣可減少極化,并能進行大電流充放電
  (6)主體材料具有良好的表面結構,能夠與液體電解質形成良好的SEI(solid-electrolyte interface)膜
  (7)插入化合物在整個電壓范圍內具有良好的化學穩(wěn)定性,在形成SEI膜后不與電解質等發(fā)生反應
  (8)鋰離子在主體材料中有較大的擴散系數,便于快速充放電
  (9)從用實用角度,主體材料應該便宜,對環(huán)境無污染
  二.負極材料分類:
  1.金屬鋰負極材料
  優(yōu)點:高電壓,能量密度大,但未商業(yè)化
  缺點:低熔點:180.54℃
  鋰枝晶生長造成的安全問題?。?!
  鋰與電解液反應產物包覆鋰,使之與與負極失去電接觸,形成彌散態(tài)鋰
  2.碳基負極材料(嵌鋰后體積膨脹小、氧化還原電位低、庫侖效率高、循環(huán)壽命長)
  石墨類碳材料
  a.天然石墨
  b.人工石墨
  c.改性石墨
  d.石墨化中間相碳微球(MCMB):瀝青類化合物經熱處理后發(fā)生熱縮聚反應,生成具有各相異性的中間小球體,把中間相小球體從瀝青母體中分離出來,形成的微米級球形碳材料。其有著良好的化學穩(wěn)定性、高堆積密度、易石墨化、熱穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的導電和導熱性等,是制備高性能炭材料的優(yōu)質前驅體,擁有著廣闊的應用及發(fā)展前景。
  MCMB優(yōu)點:(1)本身具有球狀結構,堆積密度大;(2)具有層狀分子平行排列結構,有利于鋰離子的嵌入和脫嵌;(3)比表面積小,減少充電時電解液在其表面生成SEI膜等副反應引起的不可逆容量損失,提高首次庫侖效率.
  MCMB缺點:(1)電極電位過低(0~0.25V),大電流充放電易形成鋰枝晶,沉積在電極表面,刺破隔膜,造成電池短路引起安全問題;(2)炭微球加工困難,制備成本較高,市場競爭受到嚴峻挑戰(zhàn);(3)容量提升困難。一般在280~320 mAh/g之間。
  石墨化中間相碳微球(MCMB)被認為是最具潛力的碳負極材料之一。
  無定形碳材料:根據石墨化難以程度分為軟碳(焦炭、碳纖維)和硬碳(樹脂碳和炭黑)
  納米結構碳材料:碳納米纖維,碳納米管,富勒烯和石墨烯。
  石墨烯具有優(yōu)良的電子電導率和導熱性,高的比表面積及優(yōu)異的機械穩(wěn)定性,從而保證了電子和鋰離子的快速傳輸,有助于提高電池的功率和倍率性能。
  3.硅基負極材料:
  優(yōu)勢:(1)硅在自然界儲量豐富,成本相對較低,對環(huán)境友好;(2)硅在鋰嵌入后會形成含鋰量很高的合金;(3)硅具有較低的脫嵌鋰電位(<0.5V).
  不足:(1)脫嵌鋰過程中體積變化引起的電極粉化、剝落等問題導致電池性能急劇下降,循環(huán)穩(wěn)定性差
 ?。?)首次充電過程中,電極材料與電解液在固-液相界面上發(fā)生反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層SEI膜,但形成的SEI膜不穩(wěn)定,容易脫落,造成庫侖效率較低。
 ?。?)硅是半導體,本征電導率低,導電性能差,大功率放電性能差
  4.錫基負極材料:
  錫基材料由于其在嵌脫鋰時發(fā)生相變和合金反應,產生巨大的體積膨脹效應,材料粉碎,結構受到破壞,容量急劇衰退,其循環(huán)性能差,因而其倍率性能也比較差。
  5.鍺基負極材料:
  Ge價格昂貴,限制其實際應用;體積膨脹問題嚴重(370%)導致顆粒的粉碎、電極的脫落及整個電池容量的衰退和壽命的減少。
  6.鈦酸鋰負極材料:
  容量高,充放電體積變化小,能夠提高電池的循環(huán)性能和使用壽命。可以快速、多循環(huán)充放電。
  碳材料存安全隱患,鈦酸鋰成負極發(fā)展新方向!
  尋找高比容量、高安全性、低成本的負極材料代替碳材料成為鋰電池發(fā)展的必然!!

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