鋰電池負(fù)極材料有哪些類型和特點(diǎn)

來(lái)源：存能電氣  日期：2019-03-29 09:08  瀏覽量：次

　　鋰電池負(fù)極材料有哪些類型和特性？負(fù)極材料主要影響鋰電池的首次效率、循環(huán)性能等，負(fù)極材料的性能也直接影響鋰電池的性能，負(fù)極材料占鋰電池總成本5~15%左右。鋰電池負(fù)極材料一般是有無(wú)定形碳材料、石墨化碳材料、硅基材料、氮化物、新型合金等。鋰電池的負(fù)極材料的種類是多種多樣的，但最終能夠被選用成為批量生產(chǎn)的鋰電池的組成材料的卻還是少之又少。

　　鋰電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。鋰電池能否成功地制成，關(guān)鍵在于能否制備出可逆地脫/嵌鋰離子的負(fù)極材料。

　　負(fù)極材料是鋰電池儲(chǔ)存鋰的主體，使鋰離子在充放電過(guò)程中嵌入與脫出。鋰電池充電時(shí)，正極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)與電子合成鋰原子。放電時(shí)，鋰原子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面電離成鋰離子和電子，并在正極處合成鋰原子。

　　鋰電池負(fù)極材料有哪些類型？

　　第一種是碳負(fù)極材料：目前已經(jīng)實(shí)際用于鋰電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹(shù)脂碳等。

　　第二種是錫基負(fù)極材料：錫基負(fù)極材料可分為錫的氧化物和錫基復(fù)合氧化物兩種。氧化物是指各種價(jià)態(tài)金屬錫的氧化物。目前沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

　　第三種是含鋰過(guò)渡金屬氮化物負(fù)極材料，目前也沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

　　第四種是合金類負(fù)極材料：包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金，目前也沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

　　第五種是納米級(jí)負(fù)極材料：納米碳管、納米合金材料。

　　第六種納米材料是納米氧化物材料：目前合肥翔正化學(xué)科技有限公司根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)的市場(chǎng)發(fā)展最新動(dòng)向，諸多公司已經(jīng)開(kāi)始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨，錫氧化物，納米碳管里面，極大的提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。

　　負(fù)極材料種類上，包括碳系負(fù)極、非碳性負(fù)極。從技術(shù)角度來(lái)看，未來(lái)鋰電池負(fù)極材料將會(huì)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前的鋰離子電池負(fù)極材料已經(jīng)從單一的人造石墨發(fā)展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主，軟碳/硬碳、無(wú)定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負(fù)極材料共存的局面。

　　鋰電池負(fù)極材料有哪些特點(diǎn)？

　　1、石墨烯

　　石墨烯是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，因?yàn)橘|(zhì)地薄、硬度大且電子移動(dòng)速度快而被科學(xué)家廣泛推崇，并冠以“新材料之王”的美譽(yù)。盡管這位“王者”優(yōu)異的化學(xué)性能被新能源市場(chǎng)所看好，但是至今為止依然停留在“概念化”的階段。如果將石墨烯用作鋰電負(fù)極材料的話，需要獨(dú)立的上下游產(chǎn)業(yè)鏈、昂貴的價(jià)格還有復(fù)雜的工藝，這讓眾多負(fù)極材料廠商望而卻步。

　　2、人工石墨

　　目前負(fù)極材料主要以天然石墨和人造石墨為主，這兩種石墨各有優(yōu)劣。天然石墨克容量較高、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但吸液及循環(huán)性能差一些；人造石墨工藝復(fù)雜些、價(jià)格貴些，但循環(huán)及安全性能較好。通過(guò)各種手段的技術(shù)改進(jìn)，這兩種石墨負(fù)極材料都可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，但就目前來(lái)看，人造石墨用于動(dòng)力鋰電池上占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。

　　3、中間相碳微球

　　中間相碳微球具有高度有序的層面堆積結(jié)構(gòu)，是典型的軟碳，石墨化程度較高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電化學(xué)性能優(yōu)異。中間相碳微球在倍率性能上高出天然石墨和人工石墨，用在航模、動(dòng)力工具上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，它的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性決定了它不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使用在鋰電池上加大了安全保證。

　　4、硅碳復(fù)合材料

　　通過(guò)在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉讓電池容量達(dá)到了550mAh/g以上，電池能量密度可達(dá)300wh/kg。現(xiàn)在，這種用硅碳復(fù)合材料來(lái)提升鋰電池能量密度的方式已是業(yè)界公認(rèn)的方向之一。

　　5、碳納米管

　　碳納米管(CNT)是一種具有較完整石墨化結(jié)構(gòu)的特殊碳材料，其自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和高的導(dǎo)熱系數(shù)。因其結(jié)構(gòu)特殊，導(dǎo)致負(fù)極在脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短、速度快，并且在大倍率大電流充放電時(shí)極化作用較小，可對(duì)提高鋰電池電池的大倍率快速充放電性能很有幫助。然而，碳納米管單獨(dú)直接用作鋰電池負(fù)極材料時(shí)，會(huì)存在鋰電池不可逆容量高、首次充放電庫(kù)倫效率低、充放電平臺(tái)不明顯及電壓滯后嚴(yán)重等突出問(wèn)題。

　　6、鈦酸鋰

　　鈦酸鋰(LTO)被認(rèn)為是比碳更安全、壽命更長(zhǎng)的負(fù)極材料。鈦酸鋰負(fù)極具有快速充放電、循環(huán)次數(shù)多及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，前景被很多電池界人士和企業(yè)所看好。利用鈦酸鋰做鋰電池負(fù)極優(yōu)點(diǎn)如下：首先，更高的安全性。鈦酸鋰獨(dú)特的物理性能使其具備傳統(tǒng)鋰離子電池所不具備的高安全特性。鈦酸鋰與電解液中溶劑間的反應(yīng)活性較低，在表面基本不生成SEI絕緣鈍化膜，這大大改善了鋰電池的化學(xué)穩(wěn)定性和安全性能。

　　在較高的溫度環(huán)境下，鈦酸鋰能夠吸收正極分解所產(chǎn)生的氧氣，降低了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，提高了鋰電池的安全性能。同時(shí)鈦酸鋰負(fù)極從根本上消除了金屬鋰在負(fù)極上枝晶現(xiàn)象的產(chǎn)生，大大降低了鋰電池內(nèi)部發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)。其次，鈦酸鋰負(fù)極鋰電池壽命長(zhǎng)。

　　鋰電池負(fù)極材料把握動(dòng)力電池安全性命脈，在鋰離子電池負(fù)極材料中，除石墨化中間相碳微球(MCMB)、無(wú)定形碳、硅或錫類占據(jù)小部分市場(chǎng)份額外，天然石墨和人造石墨占據(jù)著90%以上的負(fù)極材料市場(chǎng)份額。

　　負(fù)極材料作為新能源汽車動(dòng)力鋰電池的核心材料之一，對(duì)新能源汽車的最終性能起著至關(guān)重要的作用。高性能負(fù)極材料的研究成為當(dāng)前鋰離子動(dòng)力電池最為活躍的板塊之一。負(fù)極材料種類上，包括碳系負(fù)極、非碳性負(fù)極。從技術(shù)角度來(lái)看，未來(lái)鋰電池負(fù)極材料將會(huì)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，鋰電池負(fù)極材料市場(chǎng)或?qū)⒅匦孪磁啤?/span>