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鋰離子電池的負極材料---碳、硅,各有什么特點?

鉅大LARGE  |  點擊量:1088次  |  2018年05月13日  

摘要
在鋰離子電池材料中,負極材料屬于重要的組成部分,能夠對整體電池的性能產生較大影響。目前,負極材料主要被劃分為兩個類別,一種為商業化應用的碳材料,例如天然石墨、軟碳等,另一類為正處于研發狀態,但是市場前景一片大好的非碳負極材料,例如硅基材料、合金材料、錫金材料等等。

  在鋰離子電池材料中,負極材料屬于重要的組成部分,能夠對整體電池的性能產生較大影響。目前,負極材料主要被劃分為兩個類別,一種為商業化應用的碳材料,例如天然石墨、軟碳等,另一類為正處于研發狀態,但是市場前景一片大好的非碳負極材料,例如硅基材料、合金材料、錫金材料等等。


  1、碳負極材料:此種類型的材料無論是能量密度、循環能力,還是成本投入等方面,其都處于表現均衡的負極材料,同時也是促進鋰離子電池誕生的主要材料,碳材料可以被劃分為兩大類別,即石墨化碳材料以及硬碳。其中,前者主要包括人造石墨以及天然石墨。人造石墨的形成過程為:在2500℃以上的溫度中,將軟碳材料進行石墨化處理之后得到,MCMB屬于人造石墨中比較常用的一種,其結構為球形,表面質地較為光滑,直徑大約為5-40μm。由于受其表面光滑程度影響,使電極表面以及電解液之間發生反應的幾率降低,進而降低了不可逆容量。同時,球形結構能夠方便鋰離子在任何方向進行嵌入和脫出活動,對保障結構穩定具有較大的促進作用。天然石墨也具有諸多優勢,其結晶度較高、可嵌入的位置較多,并且價格較低,是較為理想的鋰離子電池材料。但其也存在一定的弊端,例如在與電解液反應時,相容性較差,在進行粉碎時表面存在諸多缺陷等,這都將對其充電或放電的性能產生較大的不利影響。


  此外,硬碳的形成過程為:在2500℃的狀態下,難以實施石墨化的碳材料,其主要為高分子化合物的熱解碳,通過高倍顯微鏡能夠看出,其是由許多納米小球堆積而成,整體呈現出花團簇狀,具體如圖1所示。在其表面具有大量納米孔的無定形區域,在容量方面遠遠超過石墨的標準容量,進而對循環能力產生較大的不利影響。

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  2、硅負極材料:由于硅物質的儲存量較為豐富,且價格較為低廉,因此將其作為新型負極材料應用到鋰離子電池中十分理想。但是,由于硅屬于半導體,電導率較差,并且在嵌入的過程中將會使體積膨脹成以往的數倍,最高膨脹度能夠達到370%,這將導致活性硅粉化和脫落,難以與電子進行充分的接觸,進而使得容量迅速縮減。要想使硅在鋰離子電池材料中得到良好的應用,使其在充電或者放電的過程中,能夠對其體積進行有效的控制,進而使其容量和循環能力得到極大的保障,可以采用以下幾種方式來實現,第一,使用納米尺寸的硅。第二,將硅與非活性基體、活性基體、粘接劑相結合。第三,利用硅薄膜,其已經被視為是下一代最為適用的商用負極材料。


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