電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
鋰電池能否成功地制成，關鍵在于能否制備出可逆地脫/嵌鋰離子的負極材料。
▼碳負極材料
在實際的使用中，鋰電池的碳負極材料基本上是這幾種碳素材料：人工石墨、天然石墨、石油焦以及碳纖維等。
▼錫基負極材料
錫基負極材料一般情況下可以分為兩種，一種是錫的氧化物，而另一種就是錫基復合氧化物了。錫的氧化物一般是指各種價態的金屬錫的氧化物。
▼含鋰過渡金屬氮化物負極材料
這一種負極材料還處在研究階段，目前還沒有以其作為負極材料的商業化鋰電池產品出現。
▼合金類負極材料
鋰電池合金類的負極材料，種類還是有很多的，其中包括有錫基合金、硅基合金、鋁基合金等眾多類型的合金，不過合金類的負極材料也還沒有形成大批量的規模加工，還在進一步研發中。
▼納米級負極材料
納米級的負極材料，能將更微小的其它材料添加到往日傳統的負極材料中，以此能極大的提高鋰電池的充放電量和充放電次數。
選擇負極材料的選用原則
高能量比：相關于鋰電極的電極電位要更低；可逆性好：充放電反應的可逆性好；兼容性好：與電解液和粘結劑的兼容性好；比表面積小：最好是小于10m2/g，真密度高：要大于2.0g/cm3；穩定性好：鑲嵌鋰的過程中尺寸和機械穩定性能好。
在地球上的資源分布要豐富，這樣才能更降低公司制作鋰電池的成本。倘若裸露于空氣中，也能確保材料穩定、無毒副用途，不會對鋰電池的使用者造成威脅。
鋰電池緊要負極材料有錫基材料、鋰基材料、鈦酸鋰、碳納米材料、石墨烯材料等。鋰電池負極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的緊要因素之一，鋰電池的正極材料、負極材料、電解質、隔膜被稱為鋰電池的四個最核心材料。下面我們簡單解析一下各類負極材料的性能指標、優缺點及可能的改進方向。
碳納米管
碳納米管是一種石墨化結構的碳材料，自身具有優良的導電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時極化用途較小，可提高電池的大倍率充放電性能。
然而，碳納米管筆直作為鋰電池負極材料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不分明等問題。如Ng等采用簡單的過濾制備了單壁碳納米管，將其筆直作為負極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。
碳納米管在負極中的另一個使用是與其他負極材料（石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等）復合，利用其神奇的中空結構、高導電性及大比表面積等優勢作為載體改善其他負極材料的電性能。如郭等采用化學氣相沉積法，在膨脹石墨的孔洞中原位生長碳納米管，合成了膨脹石墨/碳納米管復合材料，其首次可逆容量為443mAh/g，以1C倍率充放電循環50次后，可逆容量仍可達到259mAh/g。碳納米管的中空結構及膨脹石墨的孔洞，供應了大量的鋰活性位，而且這種結構能緩沖材料在充放電過程中出現的體積效應。
石墨烯
2004年英國Manchester大學研究者首次發現石墨烯材料，并獲得諾貝爾獎。石墨烯是一種由碳六元環形成的新型碳材料，具有很多優異的性能，如大比表面（約2600m2g-1）、高導熱系數（約5300Wm-1K-1）、高電子導電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機械性能，被作為鋰電池材料而備受關注。
石墨烯筆直作為鋰電池負極材料時，具有非常可觀的電化學性能。實驗室曾采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區間，表現出電容器的特性。
石墨烯負極材料在1C放電倍率下，首次可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環后容量仍可達到460mAh/g。石墨烯還可作為導電劑，與其他負極材料復合，提高負極材料的電化學性能。如Zai等采用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經過50次循環后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經過700次循環后，容量分別能達到450mAh/g和315mAh/g，表現出較高的容量和良好的循環性能。
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