[过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性.docx

二○一五年专业课论文过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性研究学院:材料科学与工程学院专业:材料物理与化学姓名:崔宇学号: 2014 231015 过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性研究崔宇长安大学材料科学与工程学院, 陕西西安, 710049 摘要系统的介绍了锂离子电池负极材料的类型, 原理以及电化学性能?叙述了对不同的材料的改性办法?简要介绍了氧化物材料的纳米改性和复合改性, 对以后可能展开的研究方向提出指导?关键词锂离子电池负极;纳米改性 Types of transition metal oxide anode material for lithium-ion batteries and modification Abstract Systems introduces the type of anode material for lithium-ion batteries, principle and electrochemical properties. Modified approach to the different materials is described. Introduced and modification of nano-modification of oxide materials, possible research direction in the future. Keywords Lithium ion battery; Nano modified 0 引言伴随着互联网移动化的进程, 诞生出越来越多的移动设备?随着智能手机的普及, 电池这一性能瓶颈带来的问题日益突出?因此, 研发出新的具有更强性能的锂电池成为当下的热点方向?由于手机对于锂电池的容量要求极高, 而且它具有较高的利润, 因此使用一些金属元素来代替现有的碳材料成为可能?目前, 传统的石墨负极材料理论比容量为 372mAh/g, 已不能满足新一代高比容量电池负极材料的需求, 为此, 开发新型高比容量锂离子电池负极材料显得迫在眉睫[1-2] ?与传统的石墨负极相比, 过渡金属氧化物拥有高的理论容量和首次充放电容量?然而由于它们存在首次库仑效率低?高倍率充放电容量低和循环稳定性较差等缺陷, 限制了其广泛应用[3-5] ?与正极材料一样, 负极材料也是影响锂离子电池性能的重要因素之一, 是锂离子电池发展的主要研究内容?它经历了 3 个阶段的发展, 分别是最初的金属锂, 锂合金和目前商业应用的碳材料?一般来说, 理想的负极材料应满足以下要求[6-7] : (1) 低的氧化还原电位, 近可能接近锂的电位?负极材料的氧化还原电位越低, 整个电池系统的工作电位就会越高, 这样锂离子电池将获得更高的能量; (2) 良好的电子传导率和锂离子迁移率?良好的导电性和锂离子迁移率可以保证电池反应的快速发生, 从而保证电池系统能够进行快速充电; (3) 结构稳定, 容量高?负极材料应该具有锂离子容易脱嵌的结构, 并且在发生锂离子脱嵌的过程中, 其结构应该保持稳定, 具有稳定的循环性能; (4) 与电解液有很好的兼容性, 并且不与电解液反应; (5) 制备容易?成本低?环保?无毒性等?1 碳基负极材料自从索尼公司用碳材料作负极的商品化锂离子电池以来, 人们对碳负极进行了广泛研究?目前使用的碳基负极材料主要包括石墨和无定形碳两大类?石墨因导电性好?结晶度高?层状结构有利于锂离子的脱嵌, 工作电位与金属锂相近等优点而被广泛研究, 同时石墨也是最早实现商业化的碳负极材料, 其理论比容量为 372mAh/g, 在实际应用中容量可达 330mAh/ g 左右[8] ?无定形碳主要包括硬碳和软碳两种, 软碳为经 2500 ℃以上高温处理后能石墨化的无定形碳, 其中典型代表为中间相碳微球(MCMB), 其石墨化程度低, 可逆容量约为为 320 mAh/g [9]; 硬碳通常为难以石墨化的碳, 即使在 2500 ℃下也难以石墨化, 一般具有比较大的比表面积, 主要为特殊结构的高分子聚合物的热解碳, 具有单层碳原子的无序排列结构, 层间距比较大以及在层间中存在着大量的微孔, 这就大大的增加储锂面积, 所以硬碳基本上都具有较高的嵌锂容量, 可达到 500mAh/g 以上[10] ?然而此类材料都具有密度小和首次库企效率低等缺点而难以满足商业化锂离子电池的要求, 通常被用作其他负极材料的添加剂以增加电导率?近年来, 越来越多的纳米级别的新型碳材料被发现, 如碳纳米管?多孔碳?碳纳米纤维和石墨稀等[11-13] , 这些材料因具有特殊的纳米结构, 使得它们的比容量比普通碳基材料高?碳纳米管因直径小, 比表面积大, 从而可以提供很多的锂离子嵌入活性点, 从而具有很