锂离子电池负极.ppt

锂离子电池负极材料
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选材要求
·插锂时的氧化还原电位应尽可能低
锂能够尽可能多的在主体材料中可逆的脱嵌,比容
量大
良好循环性能
氧化还原电位随插锂数目的变化应可能少
插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率
具有良好的表面结构,能够与液体电解质形成良好
的固体电解质界面膜
·锂离子在主体材料有较
大的扩散系数,便于快速的充放电
主要类型
无机非金属类
负极材料
选择?
合金材料类
锡基材料类
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无机非金属类负极材料
·碳材料:具有较好的循环性能和嵌锂电位
比较低等优点,因此目前商用锂离子电池
的负极材料多采用碳材料
硅基材料:硅具有4200mAh/g的超高理论
嵌锂容量,是一类有发展前景的负极材料
过渡金属化合物材料MX(M=Fe,Co,Ni,Cr,
n,cu等;X=O,S,FNP等):具有1000mA
左右的高容量
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碳材料-石墨
·石墨是最早用于锂离子电池的碳负极材料,
其导电性好,结晶度高,具有完整的层状
晶体结构,很适合锂离子的嵌入与脱出
石墨分为天然石墨和人造石墨。工业上多
采用鳞片石墨作为碳负极的原材料。鳞片
,主要有ABAB排
列的2H型六方晶体结构和 ABCABO排列的
3R型菱形晶面排序结构,即石墨层按两种
顺序排列。
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碳材料无定形碳
·常见的无定形碳有有机聚合物热解碳、树
脂碳和乙炔黑等,前两者的前驱体有很多
种,如聚苯、聚***乙烯、酚醛树脂、糠醛
树脂、含有氧异原子的呋喃和含有氮异原
子的丙烯***树脂等。随着研究的深入,在
改善无定形碳材料性能方面也取得了极大
进展。
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无定形碳材料研究进展
由晶体生长水热法制备的含微孔的无定形碳球(HCS1)具
有较好的球形形貌、可控的单分散粒子粒径和光滑的表
面,其可逆容量高达430mAh/g,首次库仑效率达到
73%,动力学性能比中间相碳微球(MCMB)还好。
·利用微乳液作媒介的晶体生长水热法制备的含微孔的无
定形碳球(HCS2)具有比HCS1更小的微孔。HCS2具有比
HCS1还要高的嵌锂容量,其值达到566mAh/g,首次库
%,而且循环性能也非常好
在硬碳材料中掺磷,可使其嵌锂特性发生明显改变,有
序化程度提高,是提高无定形碳球电极可逆容量和充放
电效率的较好方法。
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硅基材料-硅薄膜
·LiSi合金的可逆生成与分解伴随着巨大的体
积变化,会引起合金的机械分裂,导致材
料结构崩塌和电极材料的剥落而使电极材
料失去电接触,从而造成电极材料循环性
能的急剧下降,最后导致电极材料失效。
为了缓解体积效应,研究者采用镀膜的方
法制备硅薄膜材料
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硅薄膜主要研究进展
釆用 LPCVD以硅烷为前驱体在多孔镍箔表面制
备硅薄膜,其初始比容量达1000mAh/g,但10
次循环后,容量衰减为400mAh/g
·采用溅射在铜箔上制备250nm厚的非晶硅薄
膜,射频磁电管并研究了膜厚度对电极性能的
影响。结果表明,250nm厚的非晶硅膜具有
更好的电化学性能,经过30次循环,其比容
量接近3500mAh/g。SEM观察显示,较薄的膜
与铜箔接触更好,使得电极具有更小的内阻
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纳米硅
納米对与售电的高吸收:将纳米硅用于
·用纳米Si、碳黑、PVDF按重量百分比为40:40:20制
得复合负极,其工作电压比较平稳,第10周的可逆
睿量仍保持在1700mAh/g,是碳材料的5倍,循环
性远远优亍普通硅,将充放电电流密度增大8倍后,
循环性基本不受影响,表明了这种纳米复合电极优
异的高倍率充放电性能。但是纳米材料容易团聚,
团聚后的颗粒有可能失去电接触而失效。经过研
常温下锂离子的嵌脱会破坏纳米硅的晶体结构,生
亚稳态的锂和硅的化合物,并观察到纳米硅颗粒
生团聚,寻致电沲
性能下降。