锂离子电池负极材料

在锂离子电池中，当使用锂金属作为负极时，电解液与锂发生反应，在锂金属表面形成一层锂膜，导致锂枝晶的生长，极易造成内部电池短路和爆炸。

当锂嵌入碳材料中时，其电位与锂接近，不易与有机电解液发生反应，表现出良好的循环性能。

碳材料作为负极，固相中的锂在充放电过程中发生嵌入和脱嵌反应。

C ₆ +Li ⁺  +e→LiC ₆

锂离子电池负极材料包括碳基和非碳基负极材料。除了碳基负极材料，非碳基负极材料的发展也十分抢眼。下面列出了碳基和非碳基负极材料的分类。

碳基负极材料：

石墨化碳负极材料

非晶碳材料

改性碳材料

富勒烯、碳纳米管

北碳材料

 

非碳基负极材料：

酰胺

硅和硅化物

锡基氧化物和锡化合物

氧化钛

新合金

纳米氧化物负极材料

其他负极材料

 

 

石墨化碳材料的理论容量为372mA·h/g，但制备温度高达2800℃。无定形碳是一类通过低温方法制备的具有高理论容量的电极材料。无定形碳材料的制备方法很多，主要有两种：①在惰性气氛中较低温度（<1200℃）对高分子材料进行热处理；②小分子有机物的化学气相沉积。高分子材料的种类很多，如聚苯撑、聚丙烯腈、酚醛树脂等。小分子有机物有梵、六苯酚、酚酞等。这些材料的X射线衍射图中没有明显的(002)衍射峰，均为无定形结构，由石墨微晶和非晶区组成。非晶区存在大量的微孔结构。在适当的热处理条件下，其可逆容量大于372mA·h/g，有的甚至超过1000mA·h/g。主要原因是微孔可以作为可逆储锂的“仓库”。

锂嵌入非晶碳材料中，首先嵌入石墨微晶中，然后嵌入石墨微晶的微孔中。在嵌入和脱嵌过程中，锂首先从石墨微晶中嵌入和脱嵌，然后微孔中的锂通过石墨微晶嵌入和脱嵌。因此，锂的嵌入和脱嵌过程中存在电压滞后现象。此外，由于没有经过高温处理，碳材料中残留有缺陷结构，锂在嵌入时首先与这些结构发生反应，导致电池的首次充放电效率低；同时，由于有缺陷的结构在循环过程中不稳定，随着循环次数的增加，电池容量衰减得更快。尽管非晶碳材料的可逆容量高，但这些不足尚未得到解决，不能满足实际应用的要求。

新型负极材料包括薄膜负极材料、纳米负极材料和新型核/壳结构负极材料。薄膜负极材料主要用于微型电池，包括复合氧化物、硅及其合金。主要制备方法有射频磁控射流、直流磁控射流和气相化学沉积等，其应用领域主要在微电子行业。开发纳米正极材料就是利用材料的纳米特性，减少充放电过程中体积膨胀收缩对结构的影响，从而提高循环性能。研究表明，有效利用纳米特性可以提高这些负极材料的循环性能，但距离实际应用还有很长的路要走。关键原因是纳米粒子随着充放电循环逐渐结合，失去了纳米粒子的独特性能，导致其结构破坏，可逆容量衰减。对于纳米氧化物，首次充放电效率不高，需要较多的电解液；因此，纳米材料主要集中在金属或金属合金中。制备的负极材料膜的厚度一般不超过500nm，太厚的膜容易导致结构变化和容量衰减。导致其结构的破坏和可逆容量的衰减。对于纳米氧化物，首次充放电效率不高，需要较多的电解液；因此，纳米材料主要集中在金属或金属合金中。制备的负极材料膜的厚度一般不超过500nm，太厚的膜容易导致结构变化和容量衰减。导致其结构的破坏和可逆容量的衰减。对于纳米氧化物，首次充放电效率不高，需要较多的电解液；因此，纳米材料主要集中在金属或金属合金中。制备的负极材料膜的厚度一般不超过500nm，太厚的膜容易导致结构变化和容量衰减。

据相关报道，通过改善沉积基底的表面结构，当薄膜厚度高达615μm时，薄膜的可逆容量仍保持在1600mA·h/g以上，具有更好的循环性能。由于采用化学溅射法或真空蒸镀法，制备工艺成本高。

负极片的制作是将负极活性物质碳或石墨与10%左右的粘合剂（如PVDF，或聚酰亚胺添加剂等）混合，制成糊状物，均匀地涂在负极片的两面。铜箔，晾干，卷成254m，按要求裁剪成规定尺寸。