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锂离子电池新型负极材料的研究

作者:admin来源:船电技术 日期:2017-4-19 17:02:00 人气: 标签:

  本文着重介绍了锂离子电池负极材料金属基(Sn基材料、Si基材料)、钛酸锂、碳材料(碳纳米管、石墨烯等)的性能、优缺点及改进方法,并对这些负极材料的应用作了进一步展望。

  锂离子电池因具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电小及环境友好等显著优点,已被广泛用于3C电子产品(Computer,ConsumerElectronic和Communication)、储能设备、电动汽车及船用领域。

  锂离子电池的能量密度(170Wh/kg),约为传统铅酸蓄电池的3~4倍,使其在动力电源领域具有较强的吸引力。

  而负极材料的能量密度是影响锂离子电池能量密度的主要因素之一,可见负极材料在锂离子电池化学体系中起着至关重要的作用,其中研究较为广泛的锂离子电池负极材料为金属基(Sn基材料、Si基材料)、钛酸锂、碳材料(碳纳米管、石墨烯等)等负极材料。

  金属基材料

  1.1锡基材料

  目前锡基负极材料主要有锡氧化物和锡合金等。

  1.1.1锡氧化物

  SnO2因具有较高的理论比容量(781mAh/g)而备受关注,然而,其在应用过程中也存在一些问题:首次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应(体积膨胀250%~300%)、循环过程中容易团聚等。

  研究表明,通过制备复合材料,可以有效抑制SnO2颗粒的团聚,同时还能缓解嵌锂时的体积效应,提高SnO2的电化学稳定性。

  Zhou等通过化学沉积和高温烧结法制备SnO2/石墨复合材料,其在100mA/g的电流密度下,比容量可达450mAh/g以上,在2400mA/g电流密度下,可逆比容量超过230mAh/g,

  实验表明,石墨作为载体,不仅能将SnO2颗粒分散得更均匀,而且能有效抑制颗粒团聚,提高材料的循环稳定性。

  1.1.2锡合金

  SnCoC是Sn合金负极材料中商业化较成功的一类材料,其将Sn、Co、C三种元素在原子水平上均匀混合,并非晶化处理而得,该材料能有效抑制充放电过程中电极材料的体积变化,提高循环寿命。

  如2011年,日本SONY公司宣布采用Sn系非晶化材料作容量为3.5AH的18650圆柱电池的负极。单质锡的理论比容量为994mAh/g,能与其他金属Li、Si、Co等形成金属间化合物。

  如Xue等先采用无电电镀法制备了三维多孔结构的Cu薄膜载体,然后通过表面电沉积在Cu薄膜载体表面负载Sn-Co合金,从而制备了三维多孔结构的Sn-Co合金。

  该材料的首次放电比容量为636.3mAh/g,首次库伦效率达到83.1%,70次充放电循环后比容量仍可达到511.0mAh/g。

  Wang等以石墨为分散剂,SnO/SiO和金属锂的混合物为反应物,采用高能机械球磨法并经后期热处理,制备了石墨基质中均匀分散的Sn/Si合金,该材料在200次充放电循环后,其可逆容量仍可达574.1mAh/g,性能优于单独的SnO或SiO等负极材料。

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