锂离子电池负极材料研究分析

＊李亚玲

（广东风华新能源股份有限公司 广东 526040）

锂电子电池以石墨材料、碳元素材料作为负极，钴酸锂作为正极，具有高比能、自放电性小、没有记忆等优点，因而被人们作为手机、数码相机、笔记本电脑等便携电子产品的电源使用。但是从实际情况来看，碳质负极锂电池离子二次电池第一次充电时负极表面形成的固体电解质膜会让电池内部的阻抗增加，且作为动力电池还存在能量小、功率低下和使用寿命短暂的特点。为了能够提升锂电子电池的使用性能，文章现着重就锂电子电池负极材料的使用问题进行探究。

1.锂离子电池负极材料的基本特点

锂电子电池负极材料对锂离子电池性能的提升有着十分重要的作用，锂电子负极材料在使用的过程中要具备以下几个条件：第一，锂离子负极材料要为层状结构或者隧道结构，这样结构能够使得锂离子脱嵌，并在锂离子出现脱出、嵌入时不会出现明显的结构变化，从而使得锂离子电池电极具备良好的充放电能量，提高电池的使用寿命。第二，锂离子要能够尽可能多的完成嵌入和脱出，从而使得电子具有较高的可逆性。同时，在锂离子脱嵌的过程中电池本身要能够实现平稳的充电和放电。第三，第一次不可逆电池的放电量比较小。第四，锂离子电池负极材料要具备较强的安全性能。第五，锂离子电池材料和电解质溶剂的相容性比较好。第六，锂离子电池负极材料资源获取丰富、多样，价格低廉。

2.锂离子电池负极材料的基本类型

(1)碳材料

①石墨。碳材料按照结构可以划分为石墨和无定形碳元素。石墨是锂离子电池常用的碳负极材料，具备良好的导电性和结晶度，且石墨本身还具备完整的层状晶体结构，十分适合锂离子的嵌入和脱出。在工业领域会选择多鳞片的石墨来作为碳负极原材料。

②无定形碳。常见的无定形碳包含有机聚合物热解碳、树脂碳等，近几年，伴随研究的深入发展，在改善锂离子电池负极无定形材料性能方面取得了突破性进展。使用晶体生长热法制备的含有微孔的无定形碳球会显示出良好的球形形貌、可操控的单分散离子粒径、光滑的表面，逆容量会达到每克430mAh，在第一次库仑效率达到73%的时候，材料的动力学性能要比中间相碳微球的性能良好。

③中间相碳微球。中间相碳微球是寿命比较长的小型锂离子电池、动力电池生产加工常用的负极材料之一。但是从实际应用情况来看这类材料具有比容量低、价格高昂的问题，如何降低材料的价格是相关人员在未来生产加工时需要思考和解决的问题。

(2)合金材料

锂离子中的元素能够和多个金属组合形成金属化合物，但是在一定环境下锂合金的形成是可以逆转的。因此，从理论研究角度上来看，能够和锂元素组合成合金的过渡金属都可以被当作是锂电池中的负极材料。

在锂元素和这些金属形成合金的过程中金属的体积会出现比较明显的变化，在这个过程中锂元素的优缺点会被进一步放大，最终会使得锂元素在充放电的过程中出现比较明显的脱炭现象，锂电池负极材料的性能就此会被降低。因此，为了能够提升锂电池负极电池的性能需要加大对活性复合金的研究。

(3)钛氧化物

在锂电池负极材料研究中所涉及到的钛氧化物包含金红石钛氧化物、板钛矿结构的钛氧化物、碱硬锰矿太氧化物。钛氧化物和锂元素复合型氧化物包含了尖晶石、斜方相和锐钛矿，在钛氧化物三元系化合物中锂电池负极材料研究中最受人们关注的是尖晶石复合氧化物。

尖晶石复合氧化物从较低电位过度金属钛和金属锂两各氧化物组成，形成之后的尖晶复合氧化物存在比较多的缺陷，突出表现为尖晶石结构中的锂离子会广泛扩散，且尖晶石复合氧化物会在空气中长期的存在。在锂离子负极材料嵌入、脱嵌的过程中尖晶石复合氧化物材料的性能会始终处于稳定的状态，且随着尖晶石规格的变化尖晶石的参数也不会出现明显的变化。

3.负极材料的活性成分、材料尺寸、操作温度对材料性能的影响

(1)负极材料的活性成分

早期阶段锂离子二次电池直接使用金属锂箔片来作为负极，在使用过程中我们发现在电池充电的时候负极表面形成的金属锂容易形成枝状的晶体，并穿刺隔膜或者电解液层，导致锂离子电池内部出现短路和漏电问题。锂离子电池负极材料一般为石墨材料、碳元素材料，安全性和稳定性比较高。在电池系统电极电位低于1V的时候，电池内的有机电解质会变得不稳定，锂离子插入石墨层的时候会和电解质发生反应形成固体电解质钝化膜，在钝化膜的作用下能够稳定电池系统。

在高温的环境下形成固体电解质膜的副化学反应速率也会加快，电池内部的阻抗会大幅度的提升，最终会使得比容量和功率性快速降低，在快速充放电状态下操作时候容易出现因为快速发热而出现的失控现象，最终会引发安全问题。在较低的温度环境下如果活性颗粒紧缩，电解液的异离子性能会下降，材料电池内部的阻抗会增大，放电性能力也会降低，在快速充电的状态下负极表面容易出现锂电镀层。

(2)负极材料的尺度

商业化发展的锂离子电池碳材料活性组分颗粒直径在2μm到20μm之间，电池循环使用寿命在一千次左右。在碳元素材料和石墨材料的负极中活性材料颗粒如果太小，虽然能够增大其比表面积，但是会使得固体电解质膜的生成量增大，最终降低第一次充电可能带来电池比容量降低和锂损失问题。在制作锂离子电池电极的时候还会将分散的碳颗粒材料和粘合剂结合在一起之后，在压入金属网流体中的时候会形成负极。由于非活性成分占据了其中一部分的体积和质量，电极异离子和导电子能力会大幅度的降低，最终导致锂离子电池比容量、比功率性能受到影响。

在纳米负极材料制作中，无序纳米材料的制作会使用到固相法、高能球磨法、溶胶凝胶法，经过多年的发展在学术领域发表了多篇关于高度有序纳米阵列负极研究的报道，对氧化铝模板和球形模板合成的纳米阵列电极材料开展了研究。使用等离子辅助模板方法得到的蜂窝状有序纳米线碳电极材料会显示出较高的倍率性能，电极材料的性能是一般性薄膜电机材料性能的五十倍左右。

4.锂离子电池负极材料未来发展的展望

对于锂离子电池来说，理想的负极材料要满足以下几个条件：第一，锂离子电池负极材料具备良好的锂离嵌入或者脱离性能，且在使用的时候结构变化比较小。第二，锂离子电池具备良好的嵌入和脱离反应动力学性能，在使用的过程中会保持比较高的能量密度。第三，锂离子电池负极材料和Li的电势比较接近，在配合使用的过程中会获得比较理想的电池工作电压。第四，锂离子电池负极材料和主流电解液的兼容性比较好。第五，锂离子电池材料具备较强的电子导电性能和离子导电性能。第六，锂离子电池负极材料的生产原材料丰富多样，合成电路操作简单、成本低廉。锂离子电池负极材料的选择要充分参考其所在的应用场合和应用环境，辩证看待各个材料的性能。比如钛氧化物虽然容量比较低，且充放电动力学的运作比较快，适合被人们用作工业便携电子设备的电池材料使用。基于过渡元素的材料虽然动力学性能不理想，但是材料的质量比容量和体积比容量比较高，更加适合被用来作为大规模电站储能材料使用。另外，在研究锂离子电池新型负极材料的过程中还需要密切关注电化学测试电压的确定和电压滞后现象。同时，在处于较低电势的时候还需要注重关注新型材料和电解液之间的反应。

5.结束语

综上所述，从人类对锂电池的短期使用情况来看锂电池是人类使用最为广泛的便携二次电池，伴随人们生活中对锂电池的进一步使用，人们对锂电池材料的加工性能和制备也开始提出更高的要求。在这样的背景下开发研究性能优异的非碳负极材料是锂离子电池新型负极材料研究发展的一个重要方向。尖晶石材料中的晶体结构会进一步提升锂离子电池的稳定性能，在锂离子嵌入前后尖晶石的规格大小都不会出现变化，为此，在未来需要相关人员加强对尖晶石材料的使用研究。