人类与材料文明论文

人类与材料文明论文 ——锂离子电池负极材料

摘要：锂离子电池具有高性能高持久性的特点，广泛被使用。本文主要介绍锂离子电池的一些背景和发展，以及简单介绍以石墨碳素，纳米级氧化物，纳米级材料在锂离子电池负极材料上的运用。

关键词：锂离子电池，负极材料，石墨，纳米级，金属氧化物

1锂离子电池概况

锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。 锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。

2锂离子电池负极材料发展方向

锂离子电池的负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：xLi + xe- + 6C →LixC6 放电时：LixC6 → xLi + xe- + 6C。

锂离子电池负极材料有多种，第一种是碳负极材料，第二种是锡基负极材料，第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，第四种是合金类负极材料，第五种是纳米级负极材料，第六种纳米材料是纳米氧化物材料，这里我们主要讨论碳负极材料以及纳米级负极材料，纳米氧化物材料。

3 负极材料

3.1碳负极材料 碳素材料的种类繁多，其结晶形式有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管等，非晶体的过渡形式则不胜枚举。对碳素材料有各种种类不同的分类方法。按照锂离子电池负极材料的发展方向，可分为石墨化碳和无定型碳。本文主要研究石墨化碳的性能。

3.1.1 天然石墨

天然石墨是石墨化程度高，结晶完整，嵌入位置多，容量大。锂的可逆插入容量在合适的电介质中可达372mAh/g，即为理论水平。由于墨片面容易发生剥离，因此循环性能不是很理想。对于普通天然石墨而言，石漠化过程不够彻底，

一般容量低于300mAh/g，第一次循环充放电效率低于80%，循环性能也不是很理想。

3.1.2 石墨化碳材料的改性

石墨化碳材料具有较高的比容量、较低而平稳的放电平台、充放电过程中体积变化小等优点，但是石墨化碳材料对电解液的组成非常敏感，耐过充能力差，在充放电过程中石墨结果易于遭到破坏等。所以对各种碳材料进行各种掺杂改性，以提高其电化学性能成了研究的热点。碳材料的改性主要包括表面处理；引入金属或非金属元素进行掺杂；机械研磨和其他方法等。

表面处理目的在于改善材料表面结构，提高电化学性能。主要方法有：表面卤化、表面氧化、表面包覆（碳包覆、金属包覆、聚合物包覆等）。在表面包覆方向，研究者采用沥青、羧甲基纤维素等热解炭包覆天然石墨，包覆后天然石墨的充电容量提升，不可逆容量降低至7%左右，振实密度增大。研究认为热解炭包覆石墨形成一种核壳结构，及微晶石墨内核，热解炭外壳。

其他改性方面, 人们采用Ni、Ag、Cu、Fe、Co等金属包覆掺杂处理天然石墨，这些材料均能不同程度的提高电极的嵌脱锂性能，对电极可逆容量、循环性能等提高有所贡献。

3.2 纳米级负极材料

3.2.1 碳纳米管（CNTs）

碳纳米管的种类多种多样，根据壁（石墨片层）的多少可分为单壁碳纳米管和多壁纳米管；根据石墨化程度的不同可分为无定形碳纳米管和石墨化碳纳米管。碳纳米管用作锂离子电池的负极材料具有嵌入深度小、过程短、嵌入位置多（管内和层间的缝隙、空穴），储锂量大（可达CLi2水平）等，同时碳纳米管导电性好，这些都有利于碳纳米管的充放电性能。但是，不可逆容量过高，电压滞后和放电平台不明显等缺点制约了碳纳米管在锂电中的应用。

3.2.1 碳纳米管氧化物填充材料

由于单纯的碳纳米管和石墨材料的性能并不令人满意，研究者们想到了在碳管中填充高容量的氧化物来提升其性能。如张颖等，以Fe2O3填充多壁碳纳米管，达到了836mAh/g的放电容量。如丁书江等，以SnO2填充碳纳米管，也达到了类似的效果。

3.3 纳米级氧化物材料

过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料，因为其特殊的反应机理（不同于石墨等的嵌入和脱出）引起了广泛的关注。

然而充放电过程中，金属氧化物团聚（粉化）引起较大的体积变化，造成较大的不可逆容量损失，仍然是限制其在更高要求应用的障碍。张颖等，以Fe2O3作为负极材料，测得可达1089mAh/g的电容量。丁书江等，以ZnO作为负极材料，同样有应用价值（其实这里要下文献才能看，并没有钱下载）。

4 总结语

综上所述，近些年来，锂离子二次电池的碳负极材料的研究和开发所取得得进展是有目共睹的。其研究重点也一直在朝着更高的比容量、循环性能和首次充放电效率以及低成本方向发展。目前对碳材料的最好处理办法是表面改性，然而发展重点仍应在具有突破性发展的金属氧化物材料和碳纳米材料，这方面已经有所进展，且仍有较大空间。

参考文献：

[1] 赵永胜，锂离子电池碳负极材料的研究进展，河北工业大学化工学院应用化学系，天津 300130。

[2] 张颖，等。Fe2O3填充碳纳米作为锂离子电池负极材料的电化学性能，无机化学学报，第九期，2004.9。

[3] 张雪,张东阳,丁书江等.纳米结构氧化锌材料在锂离子电池中的应用[J].中国科技论文,2012,(9):690-693.

[4] 张雪,张东阳,丁书江等.纳米结构氧化锌材料在锂离子电池中的应用[J].中国科技论文,2012,(9):690-693.