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相對而言,針對鋰離子電池負極材料的研究,沒(méi)有正極材料那么多,但是負極材料對鋰離子電池性能的提高仍起著(zhù)至關(guān)重要的作用,鋰離子電池負極材料的選擇應主要考慮以下幾個(gè)條件:
1.應為層狀或隧道結構,以利于鋰離子的脫嵌;
2.在鋰離子脫嵌時(shí)無(wú)結構上的變化,具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命;
3.鋰離子在其中應盡可能多的嵌入和脫出,以使電極具有較高的可逆容量;
4.氧化還原反應的電位要低,與正極材料配合,使電池具有較高的輸出電壓;
5.不可逆放電比容量較;
6.與電解質(zhì)溶劑相容性好;
7.資源豐富、價(jià)格低廉;
8.安全性好;
9.環(huán)境友好。
鋰離子電池負極材料的種類(lèi)繁多,根據化學(xué)組成可以分為金屬類(lèi)負極材料(包括合金)、無(wú)機非金屬類(lèi)負極材料及金屬氧化物類(lèi)負極材料。
1)金屬類(lèi)負極材料
這類(lèi)材料多具有超高的嵌鋰容量。研究的負極材料是金屬鋰。由于電池的安全問(wèn)題和循環(huán)性能不佳,金屬鋰作為負極材料并未得到廣泛應用。近年來(lái),合金類(lèi)負極材料得到了比較廣泛的研究,如錫基合金,鋁基合金、鎂基合金、銻基合等,是一個(gè)新的方向。
2)無(wú)機非金屬類(lèi)負極材料
用作鋰離子電池負極的無(wú)機非金屬材料主要是碳材料、硅 材料及其它非金屬的復合材料。
3)過(guò)渡金屬氧化物材料:這類(lèi)材料一般具有結構穩定,循環(huán)壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn),如鋰過(guò)渡氧化物(鈦酸鋰等)、錫基復合氧化物等。
就當前的市場(chǎng)而言,在大規模商業(yè)化應用方面,負極材料仍然以碳材料為主,石墨類(lèi)和非石墨類(lèi)碳材料都有應用。在汽車(chē)及電動(dòng)工具領(lǐng)域,鈦酸鋰作為負極材料也有一定的應用,主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能,但是會(huì )降低電池的能量密度,因此不是市場(chǎng)主流。其他類(lèi)型的負極材料,除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出,大多仍以科學(xué)研究和工程開(kāi)發(fā)為主,市場(chǎng)化應用的比較少。
就未來(lái)的發(fā)展趨勢而言,如果能有效解決循環(huán)性能, 硅基材料將可能取代碳材料成為下一代鋰離子電池的主要負極材料。錫合金,硅合金等合金類(lèi)的負極材料, 也是一個(gè)非常熱門(mén)的方向,將走向產(chǎn)業(yè)化。此外,安全性和能量密度較高的鐵氧化物,有可能取代鈦酸鋰(LTO) ,在一些長(cháng)壽命和安全性要求較高的領(lǐng)域,得到廣泛應用。