锂离子电池负极材料的研究

文章编号：1002－6673（2011）04－028－02

机电产品开发与创新

Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProducts

Vol．24,No．4July．,2011

锂离子电池负极材料的研究

冯启路，杜啸岚

（平顶山工业职业技术学院化工系，河南平顶山467000）

摘要：随着时代的进步，能源与人类社会的生存和发展密切相关。持续发展是全人类的共同愿望与奋斗

目标。矿物能源会很快枯竭，解决日益短缺的能源问题和日益严重的环境污染是对国家经济和安全的挑战也是对科学技术界地挑战，根据《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，我国计划用20年时间使新能源等七大战略新兴产业整体创新能力和产业发展水平达到世界先进水平，为经济社会可持续发展提供强有力的支撑。可见我国对新能源的重视已达到战略高度，而电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的一个新热点。

关键词：锂离子；负极；材料中图分类号：TN86

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2011.04.012

0引言

随着时代的进步，能源与人类社会的生存和发展密切相关。持续发展是全人类的共同愿望与奋斗目标。矿物能源会很快枯竭，解决日益短缺的能源问题和日益严重的环境污染是对国家经济和安全的挑战也是对科学技术界地挑战，根据《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，我国计划用20年时间使新能源等七大战略新兴产业整体创新能力和产业发展水平达到世界先进水平，为经济社会可持续发展提供强有力的支撑。可见我国对新能源的重视已达到战略高度，而电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的一个新热点。

电极是电池的核心，由活性物质和导电骨架组成。正负极活性物质是产生电能的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。本文就锂离子电池的负极材料进行研究。

尽可能的少，这样电池的电压不会发生显著变化，可以保持较平稳的充放电；⑤插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化并能进行大电池充放电；⑥具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的固体电解质界面膜；⑦锂离子在主体材料有较大的扩散系数，便于快速的充放电；⑧价格便宜，资源丰富，对环境无污染。

2主要类型及其特点

用作锂离子电池负极材料的种类繁多，根据主体相的化学组成可以分为金属类负极材料、无机非金属类负极材料及金属-无机非金属复合负极材料。

（1）金属类负极材料：这类材料多具有超高的嵌锂容量。最早研究的负极材料是金属锂，由于电池的安全问题和循环性能不佳，金属锂在锂二次电池中并未得到应用，目前金属单质还不具有直接用作锂离子电池负极材料的可行性。锂合金的出现在一定程度上解决了金属锂负极可能存在的安全隐患，但是锂合金在反复的循环过程中经历了较大的体积变化，存储大量的锂时，体积可膨胀到原来的数倍，极大程度的造成电极粉化，电池容量迅速衰减，这使得锂合金并未成功用作锂离子二次电池的负极材料

（2）无机非金属类负极材料：用作锂离子电池负极的无机非金属材料主要是碳材料、硅材料及其它不同非金属的复合材料

碳材料：碳材料主要包括石墨类碳材料和非石墨类碳材料，这里只介绍石墨类碳材料。

1选材要求

一般来说，锂离子电池负极材料的选择主要要遵循以下原则：①插锂时的氧化还原电位应尽可能低，接近金属锂的电位，从而使电池的输出电压高；②锂能够尽可能多地在主体材料中可逆的脱嵌，比容量值大；③在锂的脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确保好的循环性能；④氧化还原电位随插锂数目的变化应

收稿日期：2011－04－22

作者简介：冯启路（1953-），男，河南新蔡县人，副教授。

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·开发与创新·

从结构上讲，石墨晶体具有典型的层状结构，在每一层内，碳原子以sp2杂化的方式与邻近其它三个碳原子形成三个共平面的∏键，这些共平面的碳原子在∏键作用下形成大的六元环网络结构，并连成片状结构，形成二维的石墨层，每个碳原子的未参与杂化的电子在平面的两侧形成大∏共轭体系；在层与层之间是以分子间作用力———范德华力结合在一起（理想的石墨层面间距约为0.3354nm，碳六元环的相邻原子间距为0.1415nm）。由于同一层的碳原子以较强的共价键结合，使石墨的熔点很高（3850℃）但由于层间的分子间作用力是非键力，比化学键弱，容易滑动，使石墨的硬度很小并且具有润滑性。同时，由于大∏共轭体系中的电子离域运动，∏电子易流动而具有良好的导电性。

由于锂离子的半径为0.078nm，远小于石墨微晶间的层间距离，因此，可用充电的方法使锂离子嵌入到石墨层间，分布在碳原子的六元环中间；也可以用放电的方法脱嵌锂离子。由于锂离子在石墨中的最大理论嵌入状态为锂离子分布在所有不相邻的六元环中间，Li与C的化学计量比为1∶6，因此，石墨负极的理论容量C0=·h/g。372.22mA

石墨类负极材料是商品化锂离子电池常用的负极材料。不仅结晶度和微观构造影响石墨材料用作锂离子电池负极材料的电化学性能，电解液的组成也在很大程度上影响其嵌锂容量寿命和倍率充放电性能等。因此，石墨类负极材料的研究焦点主要有：不可逆容量损失的机理和抑制方法，石墨结构与电化学性能的关系和电解液体系的最优化等。

硅材料：硅具有4200mA·h/g。的超高理论嵌锂容量，是一类有发展前景的负极材料。然而，单质硅的首次不可逆容量特别高，循环性能差。碳可以与硅结合形成稳定的C-Si复合材料，使负极材料同时具有高容量，

稳定性好和安全等突出优点。制备优良C-Si复合材料的关键有两点：一是硅需要均匀地分布在碳基体中，二是硅的含量要适中，这方面的研究工作正在取得进展。

（3）金属-无机非金属复合负极材料。这类材料主要包括金属-碳复合物和金属-硅复合物等，这些材料在嵌锂容量、电极导电性和倍率充放电性能方面明显优于相应的单相材料。金属与碳的复合可以使材料兼有金属的高容量和碳材料的优良的循环性能，如金属与碳纳米管的复合材料不仅可以大幅度增加材料的嵌、脱锂容量，也可以利用金属与纳米管在充、放电过程中的协同效应改善电极的循环性能。金属-硅复合材料具有很高的嵌锂容量，但循环性能差。

3发展展望

低成本、高性能、大功率、高安全、环境友好是锂离子电池的发展方向。锂离子电池作为一种新型能源的典型代表，有十分明显的优势，同时有一些不足需要改进。可以预料，随着研究的深入，从分子水平上设计出来的各种规整结构或掺杂复合结构的正负极材料以及相配套的功能电解液将有力地推动锂离子电池的研究和应用。锂离子电池将会是継镍镉、镍氢电池之后，在今后相当长一段时间内，市场前景最好、发展最快的一种电池。锂离子电池已经创造了辉煌，而未来必将有更大的辉煌。参考文献：

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[2]黄可龙，王兆翔，刘素琴.锂离子电池原理与关键技术[M].化学工业出版社，2008.

[3]郑红河.锂离子电池电解质[M].化学工业出版社，2007.

（上接第22页）磁盘表面的振动幅度也比较历害。在30Hz和60Hz时硬盘都有共振现象，60Hz的共振现象比较明显。参考文献：

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4结论

根据硬盘磁记录的工作原理可知，磁头输出电信号的强弱反应了磁头飞行高低的变化，因此本文通过测试硬盘在低频率振动下，磁头电信号的变化情况来分析磁头的飞行姿态变化。由实验分析得出随着激振频率的增加，电压输出值的波动也相应得增加，磁头的振动幅度也增大。当激振频率小于25Hz时，其电压输出值的波动很小，输出结果有一定的规律性，磁头在磁盘表面的振动波度也很小。因此不影响其信号的读出质量。当频率大于50Hz时，电压输出波动幅度就比较大。磁头在

[4]王翔，蔡长波.硬盘磁记录介质的现状与发展[J].材料导报，2000，11.[5]王辉，黄致新，张峰，等.硬盘磁记录介质的发展与展望[J].信息记录材料，2006，3.

[6]章吉良.磁记录原理与技术[M].上海交通大学出版社，1990.[7]谢霞玲，滕先伟.硬盘维修从入门到精通[M].机械工业出版社，2009.

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