鋰電池新型負極材料,鋰電池負極材料硅烯優(yōu)勢
來源:存能電氣 日期:2019-04-29 09:36 瀏覽量:次
鋰電池新型負極材料,鋰電池負極材料硅烯優(yōu)勢。鋰電池的一般是由正極材料和負極材料組成的。負極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的主要因素之一,可見負極材料在鋰離子電池化學(xué)體系中起著至關(guān)重要的作用。
鋰電池新型負極材料
鋰電池負極材料的主要種類有天然石墨(59%),人造石墨(30%),中間相炭微球(8%)及其他類型(3%)。石墨類負極材料仍然占據(jù)鋰電負極材料的主流地位,但近年新型負極材料(如鈦酸鋰等、石墨烯)等的研發(fā)與應(yīng)用也開始受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。
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尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負極材料,因具有如下優(yōu)點:
1)鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎“零應(yīng)變;
2)嵌鋰電位較高(1.55V),避免“鋰枝晶”產(chǎn)生,安全性較高;
3)具有很平坦的電壓平臺;
4)化學(xué)擴散系數(shù)和庫倫效率高。
鈦酸鋰的諸多優(yōu)點決定了其具有優(yōu)異的循環(huán)性能和較高的安全性,然而,其導(dǎo)電性不高、大電流充放電時容量衰減嚴重,通常采用表面改性或摻雜來提高其電導(dǎo)率。
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硅作為鋰電池理想的負極材料,具有如下優(yōu)點:硅可與鋰形成Li4.4Si合金,理論儲鋰比容量高達4200mAh/g(超過石墨比容量的10倍);硅的嵌鋰電位(0.5V)略高于石墨,在充電時難以形成“鋰枝晶”;硅與電解液反應(yīng)活性低,不會發(fā)生有機溶劑的共嵌入現(xiàn)象。
③碳納米管
碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料,自身具有優(yōu)良的導(dǎo)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作用較小,可提高鋰電池的大倍率充放電性能。然而,碳納米管直接作為鋰離子電池負極材料時,會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問題。
碳納米材料(碳納米管和石墨烯)具有比表面積、高的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點,在新型鋰電池中具有潛在的應(yīng)用。
④軟碳
軟碳,在高溫條件(>2500℃)下處理可以石墨化結(jié)構(gòu)的無定形碳。軟碳材料的突出優(yōu)點是可逆比容量高,一般大于300mAh/g,與有機溶劑相容性較好,因此鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性好,較適合大電流密度的鋰電池充放電。軟碳是指在2500℃以上的高溫下能石墨化的無定型碳。
鋰電池負極材料硅烯的優(yōu)勢
硅烯是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的層狀硅材料,可通過分子束外延以及固相反應(yīng)的方法制備得到。由于在硅烯中,硅原子間的鍵長要比石墨烯中碳原子間的鍵長大許多,所以硅烯中層間原子排列具有曲翹的排列結(jié)構(gòu)。
相比于傳統(tǒng)金剛石結(jié)構(gòu)的硅材料,硅烯的層間耦合作用是范德華力,層與層之間提供了可供鋰離子插入的空間,確保在充放電過程中硅烯的結(jié)構(gòu)不被破壞,從而避免了傳統(tǒng)硅電極材料在充放電過程中電極體積膨脹的問題。鋰電池負極材料利用硅烯制作的負極材料的穩(wěn)定性和循環(huán)次數(shù)都可以得到很大的提高,相比于石墨,多層硅烯的晶格常數(shù)更大,其理論容量可以達到石墨的三倍左右。
另外,利用固相法制備的硅烯中硅原子和鈣原子交替排列形成層狀結(jié)構(gòu),通過局部化學(xué)插層的方法把鈣移除,進而得到獨立無襯底的硅烯。利用這種化學(xué)法制備的硅烯作為鋰電池的陰極,同時具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循環(huán)特性等優(yōu)點,成為一種非常有潛力的鋰電池負極材料。
隨著先進材料和全電氣化電動車應(yīng)用發(fā)展對電池需求的提升,鋰離電池的能量密度也在不斷提高;硅材料由于其優(yōu)異的比容量而成為一種理想的負極材料。
總結(jié):近年來,鋰離子電池負極材料朝著高比容量、長循環(huán)壽命和低成本方向進展。隨著鋰電池應(yīng)用場景和市場的不斷擴大,未來作為儲能電池的鋰離子電池市場應(yīng)用前景將進一步廣闊。
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