锂电池负极材料的研究进展及展望分析

摘 要：在人类探求出的已知金属当中，锂元素的原子量不仅是最小的，而且里面的金属也是最轻的。因为锂元素自身拥有的电极电位以及电化学当量是非常高的，而且锂元素电化学的比能量拥有着相当高的密度，因此，若是将锂元素与一些适当的正极材料进行匹配，就可以得到高能量的电池。自从锂电池被商品化之后，对锂电池负极材料的研究，主要分为以下七种：即锂电池的硅基材料、锂电池的氮化物、锂电池的石墨化碳材料、锂电池的锡基材料、锂电池的新型合金材料、锂电池的无定型碳材料以及锂电池其他方面的材料。在此背景下，本文对锂电池当中的这些负极材料进行了研究，并对其进行了展望分析。

关键词：锂电池;负极材料;研究进展

随着现代化社会以及现代化工业的快速发展，人类在能源方面的需求量也在与日俱增，久而久之，矿物能源将会面临着枯竭的风险。在这样的形势之下，由于锂电池拥有着安全性能好、高电压、循环寿命长以及高容量的特点，因此，应用锂电池不仅可以让能源危机得到缓解，而且还能使环境污染的压力得到减轻。由正负极以及电解质这三部分就组成了锂电池。因此，在锂离子二次电池当中的负极材料首先能够得到人类应用的就是金属锂材料，其次才是合金材料。但是，不管是金属锂材料，还是合金材料，根本就解决不了锂电池的安全性能，在这样的形势下，自然而然的就诞生了锂电池负极材料中的碳材料。

1 锂电池中的负极材料

1.1 锂电池中的碳材料

应用在锂电池中碳材料的负极材料主要包括了以下三种：即石墨材料、无定型碳材料以及碳纳米管材料。在这些锂电池碳负极材料当中，石墨材料又可以分为天然的、人造的以及石墨化碳这三种;无定型碳材料又可以分为硬碳跟软碳两种;而碳纳米管材料则是根据自身壁的多少，分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管两种。在石墨化碳材料中插入锂元素的行为研究早在上个世纪50年代的中期就开始了。在石墨化碳材料中插入锂元素这一过程在首次循环的时候，因为在固体形势下的电解质界面膜或者是界面上的保护层得以形成，使得锂的插入量比可以逆脱而出的量要高些，但在之后的循环过程当中，这两者基本上是相等的。在所有商品化的碳材料当中，最有实力的碳材料就非石墨化中间相微珠莫属了。但是，石墨化中间相微珠的碳材料也存在着一些不足之处，比如在PC电解液当中循环的时候，会发生分解的现象。这种时候，就可以通过元素（比如S元素、B元素、F元素）之间的掺杂来处理，或者也可以采取与金属复合的方式。因为在碳材料中插入锂元素的安全性能比较好，电极电位会比较低，并且循环的效率比较高，所以在电池商业的应用当中，碳材料成为了人类的第一选择。

1.2 锂电池中的合金材料

锂元素可以與许多的金属M（比如Ca金属、Mg金属、Sn金属、Al金属等）在室内温度的环境之下，形成金属之间的化合物。但是，在一般情况下，锂合金的形成是可逆反应的，所以，从理论上来说，能够与锂元素形成合金的过渡金属，都可以当作锂电池当中的负极材料。但是，因为锂元素与这些金属在形成合金的这一过程当中，这些金属的体积会发生比较大的变化，使得锂元素在充电或者是放点的过程中出现反复脱嵌的现象，最终会降低材料的机械强度，使得锂元素的循环性能降低。因此，在锂电池负极材料领域的研究中，引起人类广泛关注的就是活性复合合金体系的研究以及非活性复合合金体系的研究。这些复合合金体系主要集中在Sn基合金材料、Sb基合金材料以及Sn基复合物、Sb基复合物当中。

1.3 锂电池中的钛氧化物

在目前人类研究锂电池负极材料中的钛氧化物当中，主要包括了碱硬锰矿钛氧化物、金红石钛氧化物、板钛矿多种结构的钛氧化物以及锐钛矿钛氧化物。而钛氧化物与锂元素的复合型氧化物就包括了尖晶石、斜方相以及锐钛矿。在钛氧化物的三元系化合物当中，锂电池负极材料的研究领域中被人类研究较为频繁的就是尖晶石的复合型氧化物。尖晶石的复合型氧化物是由低电位过渡金属钛以及金属锂两种氧化物组合而成的，并且组成之后的尖晶石复合型氧化物是一种有着缺陷的尖晶石结构。这种存在缺陷的尖晶石结构是一种不导电的白颜色晶体，表面的结构是立方体的，属于典型的AB2X4系列，因为拥有着锂离子身上的三维扩散通道，所以这种尖晶石复合型氧化物可以在空气当中稳定的存在。在锂离子嵌入-脱嵌的这一整个过程当中，尖晶石复合型氧化物材料中的晶体结构，可以让稳定的性能始终得到高度性的保持，而锂离子不管是在嵌入之前，还是在嵌入之后，都可以成为尖晶石结构，并且尖晶石规格的常数不会有很大的变化，尖晶石的体积变化也不会很大，一般情况下，尖晶石的体积变化都是在小于1%以内的，所以尖晶石复合型氧化物也被称作为“零应变”的电极材料，因此，尖晶石复合型氧化物的研究价值是非常广泛的。

2 展望

从人类对锂电池应用的短期间来看，锂电池仍然将会是人类应用最为广泛的便携式二次电池。因此，锂电池在人类应用范围的进一步扩展形势之下，人类对锂电池的材料以及锂电池的制备方面，提出的要求将会越来越高。因此，对锂电池中的负极材料来说，处于商品化的石墨类碳材料存在着可燃性差、存储锂能量的容量较低等问题。因此，在这样的环境下，能够开发出性能更加优秀的非碳负极材料，才是锂电池课题研究中的重点话题之一。尖晶石材料中的晶体结构，可以让稳定的性能得到高度性的保持，而锂离子不管是在嵌入之前，还是在嵌入之后，都可以成为尖晶石结构，并且尖晶石规格的常数不会有很大的变化，尖晶石的体积变化也不会很大，因此，尖晶石的研究价值是非常广泛的。尖晶石可以引入到碳材料中，也可以引入到导电聚合物中，或者是引入到导电无机粒子所形成的复合材料中，不仅可以将材料中的导电率同步提升、还可以让材料中的存储锂容量以及循环稳定性能得到同步提升。因此，人类应用在大规模生产的廉价制备的负极材料以及复合技术是锂电池负极材料研究领域当中的重点。

参考文献：

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作者简介：陈三仔（1998-），男，汉族，湖北荆州人，本科，研究方向：电池电极。