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负极材料的特性

 

作为锂离子电池负极材料，应满足以下要求。

① 插入锂时的氧化还原电势应尽可能低，接近金属锂的电势，从而使电池的输出电压高；

② 锂可以尽可能可逆地脱嵌在主体材料中，具有大的比容量值；

③ 在锂解吸过程中，主体结构没有变化或变化很小，以确保良好的循环性能；

④ 氧化还原电位随插入锂的数量的变化应尽可能小，这样电池的电压就不会发生显著变化，并且可以保持相对稳定的充电和放电；

⑤ 插入化合物应具有良好的电子导电性和离子导电性，可以减少极化，并可以对大型电池进行充电和放电；

⑥ 它具有良好的表面结构，可以与液体电解质形成良好的固体电解质界面（SEI，固体电解质界面）膜；

⑦ 锂离子在主体材料中具有较大的扩散系数，便于快速充放电；

⑧ 价格便宜，资源丰富，对环境无污染等。

 

 

负极材料的分类

 

（1） 根据其组成，负极材料有许多分类方法。根据其组成，可分为两类：碳负极材料和非碳负极材料。碳材料主要包括石墨和石墨化碳材料，以及非石墨（无定形）碳材料。石墨碳材料包括天然石墨、人造石墨和改性石墨。它们具有良好的层状结构，插入石墨的锂离子层之间形成了LixC6层间化合物，理论容量为372mA·h/g，具有良好的电压平台，并且没有电荷（锂脱嵌）电压滞后；无定形碳材料根据其石墨化难易程度可分为易石墨化碳材料（也称为软碳）和难石墨化碳物质（也称为硬碳）。非石墨化碳材料和石墨具有不同的储锂机制，通常表现出更高的比容量，但电压平台更高，存在潜在的磁滞现象，循环性能不理想。可逆锂存储容量通常随着循环的进行而衰减得更快。

非碳负极材料包括锡基材料、硅基材料、氮化物、钛基材料、过渡金属氧化物和其他新型合金材料。非碳负极材料的开发主要基于碳基材料的低比容量，无法满足日益增长的电池容量要求。此外，碳基材料具有低的首次充电和放电效率，并且具有诸如有机溶剂共包埋的缺点。因此，人们在开发碳材料的同时，也进行了大容量非碳负极材料的研发。

• 锡基材料包括锡氧化物、锡基复合氧化物、锡盐、锡酸盐、锡合金等；

• 硅基材料分为硅、硅氧化物、硅/碳复合材料、硅合金等；

• 钛基负极材料主要指钛氧化物，包括TiO2、尖晶石结构的Li+i2O4、Li4/3Ti5/3O4等；

• 氮化物主要指各种过渡金属氮化物，如Li4/3Ti5/3O4等含锂负极材料；

• 合金材料包括Sn基、Sb基、Si基、Al基合金材料等。

 

负极材料包括两种类型的碳材料和非碳材料，分类如下：

碳材料：类石墨碳材料（包括天然石墨、人造石墨、改性石墨）和无定形碳材料（包含易石墨化碳材料和难石墨化碳材）；

非碳材料：锡基材料、硅基材料、酰胺、钛基材料、过渡金属氧化物、合金材料。

 

 

（2） 根据负极材料的结构，可分为两类：结晶材料和非晶（非晶）材料。石墨碳材料结晶度高，属于结晶性材料；无定形碳材料的结晶度较低，我们将其视为无定形材料。锡基材料中的大多数氧化锡都是结晶化合物。由于在充放电过程中具有巨大的体积效应，影响材料的结构稳定性和循环性能，氧化锡的改性导致了无定形锡基复合氧化物的出现。硅基材料中的非金属硅也有两种类型，结晶硅和非晶硅。其中，非晶硅具有较好的电化学性能，对硅的改性主要针对非晶硅。合金材料根据其结构也可分为两种类型：结晶材料和非晶材料。

 

（3） 负极材料分为两类：粉末材料和薄膜材料。到目前为止，研究的负极材料大多是粉末状材料，对薄膜形态的研究较少，主要集中在金属（合金）薄膜、氧化锡薄膜、硅基薄膜等。与粉末电极相比，薄膜电极不需要添加粘合剂和导电剂。这使得薄膜电极能够更直观地反映电极材料的性能，同时具有设计简单、内阻低、充放电性能好的优点，使得薄膜电极材料非常有前景。