过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性
锂电池负极材料大体分为以下几种

锂电池负极材料大体分为以下几种:第一种是碳负极材料:目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。
第二种是锡基负极材料:锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。
氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。
目前没有商业化产品。
第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料,目前也没有商业化产品。
第四种是合金类负极材料:包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金,目前也没有商业化产品。
第五种是纳米级负极材料:纳米碳管、纳米合金材料。
第六种纳米材料是纳米氧化物材料:目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。
锂金属电池锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极(负极)、以二氧化锰为阴极(正极),并采用有机电解液的一次性电池。
该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤10%);工作温度范围-20℃~+60℃。
该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。
锂离子电池可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池,但它较为“娇气”,在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。
因此,在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。
锂离子电池充电要求很高,要保证终止电压精度在±1%之内,目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC,以保证安全、可靠、快速地充电。
现在手机已十分普遍,基本上都是使用锂离子电池。
正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。
锂离子电池的正负极材料

锂离子电池的正负极材料锂离子电池是一种高效、环保、高能量密度的电池。
其发展历程是从20世纪初开始的,经过近百年的努力,现在已广泛应用于消费电子、汽车、飞机等各行各业。
正负极材料是锂离子电池的关键组成成分,本文将就锂离子电池的正负极材料做详细介绍。
1. 正极材料正极材料是锂离子电池中最重要的组成部分之一,占据了电池体积和重量很大的比例。
正极材料的主要作用是作为储存正极离子(Li+)的载体,完成电荷传输并储存电荷。
目前市场上主要的正极材料有三种:钴氧化物、镍钴锰氧化物和铁锂磷酸锂(LFP)。
(1)钴氧化物钴氧化物是第一代锂离子电池的主要正极材料,设备通常是NMC622,NMC811(指里面的Ni、Mn、Co比例)等。
钴氧化物具有高容量、高效率、高循环寿命等优点,但缺点也显而易见,主要是价格高、存在安全隐患(高温、过充)和环保问题。
(2)镍钴锰氧化物镍钴锰氧化物是一种新型正极材料,具有高能量密度、优异的电化学性能以及较高的稳定性。
在电池能量密度方面比钴氧化物优异,且成本较低。
由于其具有很高的容量和较高的储能效率,因此被广泛用于锂离子电池的电动工具。
(3)铁锂磷酸锂铁锂磷酸锂是一种新型的正极材料,具有高容量、长寿命、较高的安全性等优点。
同时,它可以承受高的放电速率和充电速率,适用于高流量应用,如电动汽车、电动工具等。
然而,铁锂磷酸锂相对于其它型号,容量较低且价格较高,也限制了它的商业应用和大规模商业化的推广。
2. 负极材料负极材料的主要作用是储存锂离子(Li+),完成电池内部的电子传输和离子传输。
其中,石墨是目前使用最广泛的负极材料,但石墨负极也存在着一些缺陷,比如容量限制、安全问题等。
摩擦俱乐部是一种新型材料,被认为有望成为上述问题的解决方案。
(1)石墨石墨是当前使用最广泛的负极材料,具有较高的比容量,且是有机物,对环境较为友好。
但是石墨负极其容量受限,难以充分满足未来高能量和高功率需求的电池应用的快速发展。
锂离子电池负极材料的研究及应用进展

锂离子电池负极材料的研究及应用进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题日益严重,可再生能源及其存储技术受到了广泛关注。
锂离子电池作为一种高效、环保的能源存储技术,广泛应用于电动汽车、移动电子设备以及大规模储能系统中。
而负极材料作为锂离子电池的重要组成部分,其性能直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性。
因此,研究和开发高性能的锂离子电池负极材料对提升电池性能、推动锂离子电池技术的发展具有重要意义。
本文旨在综述锂离子电池负极材料的研究现状和应用进展。
我们将简要介绍锂离子电池的基本工作原理和负极材料的主要性能指标。
然后,我们将重点综述各类负极材料的制备方法、性能特点以及在实际应用中的表现。
在此基础上,我们将讨论当前负极材料研究领域的热点问题和发展趋势,包括硅基负极材料、锂金属负极材料以及新型二维负极材料等。
我们将展望锂离子电池负极材料的未来发展方向,以期为相关领域的科研工作者和工程技术人员提供有益的参考和启示。
二、锂离子电池负极材料分类锂离子电池的负极材料是影响电池性能的关键因素之一,其性能直接影响到电池的容量、能量密度、循环寿命和安全性能。
根据材料的性质和应用需求,锂离子电池的负极材料主要分为以下几类:碳材料:碳材料是目前商业化锂离子电池中应用最广泛的负极材料,主要包括石墨、软碳和硬碳等。
石墨具有良好的层状结构,可以提供较高的比容量和良好的循环稳定性。
软碳和硬碳则具有较好的嵌锂能力和较高的能量密度。
合金材料:合金材料如锡、硅、锗等具有较高的理论比容量,是下一代锂离子电池负极材料的热门候选。
然而,合金材料在充放电过程中存在较大的体积变化,容易导致电池循环寿命下降。
目前的研究主要集中在如何缓解合金材料的体积变化和提高其循环稳定性。
氧化物材料:氧化物材料如过渡金属氧化物(如CoO、Fe2O3等)和锂氧化物(如Li4Ti5O12)等也具有一定的应用潜力。
这些材料具有较高的能量密度和良好的循环稳定性,但导电性较差,需要进行改性以提高其电化学性能。
锂离子电池中正负极材料的选择与优化

锂离子电池中正负极材料的选择与优化锂离子电池是目前最常用的可充电电池之一,广泛应用于手机、电动车、电子设备等领域。
在锂离子电池中,正负极材料的选择和优化对电池性能的影响至关重要。
本文将从锂离子电池的基本原理出发,探讨正负极材料的选择与优化。
锂离子电池的基本原理是通过锂离子在正负极之间的扩散及反应来实现电荷和放电过程。
正极材料主要负责锂离子的嵌入和脱嵌,负极材料主要负责锂离子的嵌入和脱嵌。
正负极材料的选择需要考虑多个因素,包括能量密度、功率密度、循环寿命、安全性、成本等。
对于正极材料的选择,最常用的材料是氧化物类材料,如锰酸锂、钴酸锂和镍酸锂等。
锰酸锂是一种具有良好的循环寿命和安全性能的材料,但其能量密度较低,故常用于功率型电池,如电动工具。
钴酸锂具有较高的能量密度和循环寿命,但价格较高。
镍酸锂具有更高的能量密度,但循环寿命相对较低。
此外,新型材料如磷酸铁锂和钒酸锂也在研究之中,它们具有更高的循环寿命和更低的成本,但其能量密度相对较低。
对于负极材料的选择,目前最常用的是石墨材料。
石墨具有良好的导电性和化学稳定性,能够承受锂离子的嵌入和脱嵌反应。
但石墨材料存在容量限制,即每个石墨层板只能嵌入和脱嵌一定数量的锂离子。
为了提高电池容量,石墨材料的表面通常经过特殊处理,如增加表面积或改变结构。
同时,也有研究人员致力于开发新型负极材料,如硅、锡、碳纳米管等。
这些材料具有更高的锂储存能力,但还存在着容量衰减快、体积膨胀等问题,需要进一步研究和改进。
正负极材料的优化是为了提高电池的性能。
其中,提高能量密度是一个重要目标。
对于正极材料,可以通过提高材料的比容量和比电压来增加能量密度。
比容量的提高可以通过增加正极材料中可以嵌入锂离子的数量来实现,比电压的提高可以通过选择具有更高电位的材料来实现。
对于负极材料,可以通过提高材料的比容量来增加能量密度。
此外,优化电池的结构和控制电池的工作温度也是提高能量密度的有效方法。
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展

动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展2010-11-10 14:45:06 中国石墨碳素网文/苗艳丽杨红强岳敏天津市贝特瑞新能源材料有限责任公司随着汽车行业的发展,石油、天然气等不可再生石化燃料的耗竭日益受到关注,空气污染和室温效应也成为全球性的问题。
为解决能源问题、实现低碳经济,基于目前能源技术的发展水平,电动汽车技术逐渐成为全球经济发展的重点方向,美国、日本、德国、中国等国家相继限制燃油车使用,大力发展电动车。
作为电动汽车的核心部件——动力电池也迎来了大好的发展机遇。
动力电池是指应用于电动车的电池,包括锂离子电池、铅酸电池、燃料电池等,其中,锂离子电池因具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性,成为目前各国发展的重点。
国外政府及企业在动力锂离子电池研发上均做出了很大的努力。
我国的锂离子电池产业起步虽较晚,但发展速度非常快,同时,政府给予了大力的支持。
“十一五”期间,“863”电动汽车重大专项对混合动力(HEV)、外接充电式混合动力(PHEV)用锂离子电池关键材料和电池进行了专门的研究。
与锂离子电池其他部件相比,锂离子电池负极材料的发展较为成熟。
在商业应用中,石墨类碳材料技术较为成熟,市场价格也比较稳定,但随着锂离子动力电池对能量密度、功率密度、安全等性能的要求不断提升,硬碳、钛酸锂(Li4Ti5O12)、合金等其他材料也相继成为研究热门。
一、动力锂离子电池负极材料简介1.动力锂离子电池负极材料特性锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜和其他附属材料组成。
锂离子电池负极材料要求具备以下的特点:①尽可能低的电极电位;②离子在负极固态结构中有较高的扩散率;③高度的脱嵌可逆性;④良好的电导率及热力学稳定性;⑤安全性能好;⑥与电解质溶剂相容性好;⑦资源丰富、价格低廉;⑧安全、无污染。
2.动力锂离子电池负极材料主要类型早期人们曾用金属锂作为负极材料,但由于存在安全问题没有大规模商业应用。
固态锂离子电池组成原理

固态锂离子电池是一种新型的电池技术,与传统的液态锂离子电池相比,它采用固态电解质代替了液态电解质。
以下是固态锂离子电池的组成原理:
1.正极:固态锂离子电池的正极通常采用锂过渡金属氧化物,如LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4
等。
这些材料具有较高的能量密度和稳定性,能够存储大量的能量。
2.负极:固态锂离子电池的负极可以采用锂金属、硅或石墨等材料。
其中,锂金属具有最高的能量
密度,但容易产生枝晶;硅具有较高的理论容量,但体积变化较大;石墨具有良好的稳定性和可逆容量,是目前最常用的负极材料。
3.固态电解质:固态电解质是固态锂离子电池的核心部分,它由聚合物或无机材料组成。
固态电解
质具有较高的离子电导率和稳定性,能够阻止锂枝晶的生长,提高了电池的安全性。
4.集流体:固态锂离子电池的集流体可以采用金属箔或复合材料。
集流体主要用于收集电流并传导
至外部电路,同时起到支撑和固定电极的作用。
在固态锂离子电池的工作过程中,当电池充电时,锂离子从正极脱出并穿过固态电解质向负极迁移,电子通过外部电路向负极迁移;当电池放电时,锂离子从负极穿过固态电解质向正极迁移,电子通过外部电路驱动电子器件。
由于固态电解质具有较高的离子电导率,可以大大提高电池的充放电速度和能量密度。
过渡金属氧化物在锂离子电池中的应用

小结
➢ 将金属氧化物纳米化的思路,同时对不同纳米结
构进行复合,获得多级纳米结构材料,形成纳米效应、 结构效应和复合效应从而改善锂离子电池的电化学 性能是提高过渡金属氧化物负极材料性价比的重要 措施。 ➢ 过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料的应 用,已经取得了很大的发展。随着过渡金属氧化物 性能的改善,其在新型锂离子电池中的应用将会成 为一种趋势。
改善措施
➢ 可以把目前众多的改善措施分为两二类,分别是纳 米化与复合化。
➢ 纳米化指的是至小把材料三维尺寸中的一维减少到纳 米尺度范围之内,相应的就会出现零维(OD)、一维(ID)和 二维(ZD)纳米结构的金属氧化物。由于纳米材料独特的 优势使得其在过渡金属氧化物体系电极材料,甚至是其它 体系的电极材料,中得到成功的应用。这些优势包括:(l)纳 米材料可以诱发新的储铿机制;(2)纳米材料缩短了电子 和铿离子传输路径,有利于电极于大电流密度下充放电;(3) 增加电极/电解液接触面积三(4)能缓和充放电过程中锉 离子嵌入/脱出所造成的体积变化;(5)纳米材料高的表面 能或缺陷能,显著地影响着电池反应的理论电压,使得电 极反应可以在较宽的电压窗口内进行。
二元过渡金属氧化物
➢ 由于单一的氧化物虽然有较高的比容量,但是它们在充 电过程中的体积膨胀比较严重,因此也制约它们的发展。二元 过渡金属氧化物,由于他们既含有具有电化学活性的部分,同 时又具有骨架的部分,能有效提高锂离子电池的循环性和倍率 性能。因此现在受到了广泛关注。尤其是锰锌二元氧化物,由 于其材料来源广,价格低廉,易于 制备以及性能良好而受到的研
NiO + 2Li++ 2e- = Ni + Li2O
主要问题
ZnO、MnO2和 NiO 作为锂离子电池负极材料主 要存在以下问题: ➢一是循环稳定性较差。活性材料在和锂离子反应 的过程中体积变化较大,引发较大的内应力,破坏了材 料结构,使材料发生了粉化,丧失电化学活性,容量快 速衰减。 ➢体二,电是导倍率率不性高能,高较倍低率。充Zn放O、电M时n电O2极和材N料iO不都能是及半时导和 锂反应,高倍率下难以发挥过渡金属氧化物比容量大 的优点。
锂离子电池中金属氧化物负极的研究进展

锂离子电池中金属氧化物负极的研究进展锂离子电池是一种高效率、低耗能的充电电池,其采用的是锂硫化物为正极和金属氧化物为负极的设计。
而锂离子电池中金属氧化物负极是至关重要的部分,它直接影响到整个电池的性能和使用寿命。
本文就探讨一下关于锂离子电池中金属氧化物负极的研究进展。
一、金属氧化物负极的基本情况金属氧化物负极起到阴离子扩散的作用,是锂离子电池的重要组成部分。
锂离子在电池内部传递的过程中经过负极,通过在负极上嵌入和脱嵌等过程完成电极的充放电。
金属氧化物负极通常包括二氧化钛(TiO2)、氧化钒(V2O5)、氧化铁(Fe2O3)、氧化锰(Mn2O3)等。
其中,二氧化钛是电化学性能最佳的金属氧化物,可以作为锂离子电池的理想负极材料。
但是,由于其电极电位较高,充放电容量较低,不能满足大规模的商业应用需求。
二、金属氧化物负极的研究进展1、掺杂改性为了提高金属氧化物负极材料的性能,研究人员开始探索掺杂改性的方法。
例如,将氧化钒材料中的钒原子部分替换为其他过渡金属元素,如铜、铁、锰等,可以显著增加其电容量和导电率,提高其充放电性能。
此外,还有些研究者对金属氧化物进行了复合掺杂改性,或是对其进行表面改性等,均有一定的成功经验。
2、纳米结构材料纳米材料具有着很好的性质,其能够提高材料的表面积,增大材料的活性位点数量,从而达到提高其电容量的目的。
研究人员利用纳米材料制备了锂离子电池中的金属氧化物负极材料,并取得了一定的成功。
例如,利用溶剂热法制备的纳米二氧化钛材料,其比表面积可以达到200平方米/克以上,具有良好的电化学性能和稳定性。
3、异质结构材料利用一个物质与另一个物质组成异质结构,可以有效提高材料的电化学性能。
由于异质结构的特殊性质,可以在负极材料中形成保护膜层,从而增加其充放电容量和稳定性。
例如,将二氧化钛与碳或钛酸锶(SrTiO3)等材料制备成复合材料,可以有效提高其性能。
4、新型金属氧化物为了提高锂离子电池中金属氧化物负极的性能,研究人员还在探索新型金属氧化物负极材料。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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:2014231015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 modificationAbstract 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 modified0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,从而具有很高的比容量;另外,碳纳米管的良好的电子和离子传导性,使材料具有很好的倍率性能。但是,碳纳米管产率很低,不适合广泛的商业应用,一般被作为碳源与其他负极材料进行复合以增加电导率。石墨稀这一颗科学界的“新星”,因具有优异的电导率、极高的比表面积(约2630m2/g)、机械柔朝性好等特点被广泛研究。由于石墨稀极高的比表面积和猎皱结构,使得锂离子不仅可以存储在石墨炼的片面上,还可以存储在石墨稀的边沿、缺陷以及其他位置,从而具有较高的比容量。Kim等人[13]用石墨炼作为锂离子电池负极材料测得其比容量约为540 mAh/g人目前,石墨稀主要应用于与金属氧化物进行复合从而提高氧化物的导电性,改善其循环性能。2合金类负极材料金属锂用作负极材料时易产生枝晶,而用锂合金替换可以有效的避免此现象的发生,从而提高电池的安全性[14]。锂合金材料一般为金属锂与金属类或半金属类元素之间进行合金化的产物,这些元素主要集中在第4和第5主族,如:Si, Sn, As, Sb ,Ge, Pb, P和Bi。还有一些像Al, Zn, Cd, Ag, Au, In, Ga和和Mg金属元素也可以形成锂合金材料,其中研究最广泛的合金材料为Si[15,16]和Sn[17,18]合金类材料。2.1锂离子电池挂基负极材料在硅基负极材料中1个桂原子最多可以与4.4个锂离子反应形成Li4.4Si合金,使得其理论容量高达4200 mAh/g,其值最接近于金属锂。另外Si还具有无毒环保,嵌锂电位低并且资源丰富等优点,这些特性使得Si成为有望取代石墨的一种理想材料。但是,Si在充放电过程中会出现严重的体积变化,其变化量通常高达280 %-300 %,巨大的体积变化将产生很大的应力,从而出现电极材料的结构失稳、电极粉化等现象,甚至出现电极材料与集流体脱离,使得容量快速衰减,这也是桂基材料未取得广泛应用的主要原因。目前,改善Si基材料循环性能的办法主要有制备Si纳米材料和利用碳基材料与Si复合。2.2锂离子电池锡基负极材料自从1997年日本Fujifilm公司发现无定形锡基氧化物(TOC)具有较长的循环寿命和较高的可逆容量以来,锡基负极材料引起广泛的关注[19]。与桂基材料类似,锡基材料中1个Sn原子可以和4.4个锂离子反应形成Li4.4Sn合金,其理论容量可达到990 mAh/g,但是锡基材料也面临着充放电过程中体积膨胀(约100 %-300 %)的问题,从而极大的限制了其广泛的商业化应用。锡基氧化物最常用的改性办法主要有合成具有较大比表面积纳米材料,有效缓解充放电过程中的巨大体积变化,从而有效改善材料的循环性能。另一种有效方法为与碳材料进行复合形成复合材料,其中碳对Sn颗粒进行表面包覆,可以有效缓冲体积膨胀,防止活性颗粒团聚,同时也还可进一步提高材料的导电性。另外,碳材料本身也是一种很好的嵌锂材料,并且其结构在脱嵌锂过程中变化很小,与碳复合可有效的改善锡基材料的电化学性能。Wan等人[20]通过模板法成功制备了中空C/Sn复合材料,表现出极高的容量和优异的循环性能。Yu等人[21]合成出来的Sn/C复合纳米材料,具有良好的循环性能,200次循环后其容量仍维持在737 mAh/g。2.3 Li4Ti5012负极材料Li4Ti5012结构与LiMn2O4类似,也属于尖晶石结构,空间群为Fd3m,理论上, Li4Ti5012可以嵌入3个锂离子生成Li7Ti5012,生成的Li7Ti5012也属于尖晶石结构,并且其晶胞体积与Li4Ti5O12几乎一致,故常Li4Ti5012被称为零应变材料,从而使得Li4Ti5012结构在充放电过程中十分稳定,其循环寿命可达数千次乃至上万次。Li4Ti5012的理论比容量为175mAhg、实际应用中也可达到150-160mAh/g[22]。虽然Li4Ti5012的循环性能比较好,但Li4Ti5012导电性差(10-13S/cm)、离子扩散系数也很低(10-8cm2/s),加上其平台电压比较高,通常要与4或5V正极材料搭配使用,这导致Li4Ti5012材料在大电流密度下容量衰减很快,倍率性能差等缺点。通常釆用离子掺杂、表面包覆、减小Li4Ti5012粒径来改善Li4Ti5012的倍率性能。2.4金属氧化物负极材料早在上世纪80年代,人们就发现一些金属氧化物具备可逆充放电的能力,从而将其应用于锂离子电池电极材料,其中锡的氧化物研究的最多,如SnO2和SnO[23-24]。自从Tarascon等人于2000年首次报道了纳米尺寸的过渡金属氧化物(Co3O4,NiO,CuO和Fe2O3)作为锂离子负极材料具有优异的储锂性能后,过渡金属氧化物引起了全球范围内的极大关注,掀起了一股以过渡金属氧化物为锂离子电池负极材料的研究热潮。根据不同的充放电机理,主要可分为三类:合金类反应、嵌入式反应和转换式反应(3d过渡金属氧化物)。2.4.1合金类反应金属氧化物这类金属氧化物中最常见的是SnO2 [25],在充放电过程中, SnO2首先与金属锂反应生成金属Sn和Li2O,随后金属锡与锂进行可逆的合金化反应,而Li2O不参与反应。与Sn基材料类似,1 mol SnO2理论上最多可与4.4 mol的锂离子发生可逆反应,其理论容量为780mAh/g。其反应机理如下所示:SnO2+ 8Li++ 8e-→Sn + 4Li2O(1-6)Sn + 4.4Li++4.4e-→Li4.4Sn (1-7)和锡基材料一样,SnO2在充放电过程中也会出现巨大的体积变化,从而导致容量衰减很快,循环性能变差。目前, SnO2材料改性方法主要有:合成具有纳米结构、制备不同形貌的SnO2材料,进行表面包覆,与碳材料进行复合等。2.4.2嵌入式反应金属氣化物这类金属氧化物的储锂方式与Li4Ti5012类似,也是通过嵌入式反应来进行的。这种方式表现在电化学反应是通过锂离子在金属氧化物结构中进行可逆的嵌入与脱出而发生的,这样不会使氧化物结构发生太大的变化[27]。其中典型物质为TiO2,反应式1-8为其反应机理,反应时1 mol的TiO2与X mol的Li离子进行可逆反应生成Li x TiO2,其中X的具体数值取决于TiO2晶态与尺寸。一般认为,1 mol的锐钛矿晶型的TiO2可以与0.5mol的Li+进行可逆反应,其理论容量可达167mAh/g;对于TiO2(B)材料,其1 mol可以与0.75 mol的Li+进行可逆反应,其理论比容量比锐铁矿高,可达到251mAhg人由于TiO2材料电导率及离子迁移率都比较低,从而导致材料的倍率性不佳,通常改善倍率性能的方法有:合成纳米尺寸的TiO2、进行离子掺杂、表面进行碳包覆等。TiO2 + xLi+ + xe-→Li x TiO2 (1-8)2.4.3转换式反应金属氧化物其实大部分金属氧化物都是以转换式反应的形式来进行储锂的,其中比较典型的就是Tarascon等人[25]2000年报道的过渡金属氧化物(M x O y M = Co , Fe, Ni, Mn, Cu等)。这类氧化物的理论比容量都比较高,一般在700mAh/g以上,它们以转换式的形式进行储锂,其机制有别于传统碳材料(原子层间插入机理),锡基、娃基材料(合金化机理),Ti02 (嵌入式反应机理),其反应机理如下所示:M x O y + 2yLi++ 2e↔ xM + yLi2O (1-9)上述反应机理同样也适用于过渡金属氟化物、硫化物、氮化物等。从上式中可以得知在首次放电过程中, M x O y粒子与锂发生反应,产生非晶态的Li2O和尺寸约为2-8nm的具有高度电化学活性的金属M颗粒,金属颗粒分散于非晶态的Li2O中。与此同时,在过渡金属氧化物的表面出现电解液的分解,颗粒表面形成一层固态的电解质(SEI)膜,此过程会消耗了一定的锂离子,这会对首次放电容量有一定贡献,导致首次放电过程中容量均会超过理论容量。在之后的充电过程中,过渡金属M与Li2O反应,重新生成过渡金属氧化物M x O y,同时会分解部分的SEI 膜,尺寸为2-8 nm金属颗粒具有高度的活性,这种高度活性使得逆反应得以发生。一般过渡金属氧化物的首次不可逆容量比较大,库伦效率比较低(约50%-70%),其主要原因是由于有些纳米过渡金属M和Li2O不能完全转化成M x O y,另一方面源于首次充电过程中不能完全分解首次放电过程中生成的SEI膜。3 3d过渡金属氧化物负极材料的研究进展3.1钴的氧化物对于钴氧化物的研究主要集中于Co3O4和CoO,它们与锂进行反应生成金属Co纳米颗粒与Li2O,这一特性早在1982年就被Thackeray等人[28]发现。然而,其真正应用于锂离子电池是在2000年Pizot等人[25]在Nature上进行相关报道之后。相对于传统碳负极材料,Co3O4与CoO 表现出很高的容量(约为传统碳的2-3倍),其理论容量分别为892和716mAh/g。反应机理如下所示:Co3O4+8Li++8e-↔3Co + 4Li2O (1-10)CoO + 2Li+ +2e-↔Co + Li2O (1-11)其中Co3O4因比容量高而受到更多的关注,虽然Co3O4的理论容量很高,但其导电性差,并且在不断的循环过程中会出现体积的巨大变化,材料的结构会发生改变,甚至坊塌。需对Co3O4进行改性从而达到更好的实际应用。目前主要的改性方法有:合成特殊结构的Co3O4纳米材料,如纳米线、纳米管、纳米针、纳米片等[29-32]。以及与碳材料(石墨、碳纳米管、石墨稀等)进行复合[33-35]。Chen等人[36]通过球磨法和煅烧法分别合成了Co3O4纳米颗粒以及纳米棒,表现出优异的电化学性能。Yan等人[37]通过化学沉淀法制备钴的前驱体,后在空气气氛下进行锻烧得到多孔Co3O4纳米笼状物,循环30次后可逆容量依旧高达970 mAh/g人表现出良好的循环稳定性。3.2猛的氧化物猛因具有廉价、资源来源广、无毒等特点引起了广泛研究。猛的氧化物主要有MnO, MnO2, Mn2O3和Mn3O4,其中MnO 理论比容量达756 mAh/g, Mn3O4为936mAh/g,其反应机理如反应式1-9所示,可计算得出MnO2的理论比容量高达1233 mAh/g,尽管具有很高的理论容量,但是MnO2向金属Mn单质的转变过程需要克服很大的热力学势垒,反应不容易进行,这大大限制了MnO2材料的实际应用。与其他过渡金属氧化物类似,猛的氧化物也面临着导电性差、体积膨胀与收缩大的问题,从而导致循环性能差。一般通过对材料进行改性来提高其电化学性能的稳定性,其中主要包括合成多孔结构材料、与碳材料进行复合等。Deng等人[38]通过热分解MnCO3得到多孔的Mn2O3微球,其表现出优异的电化学稳定性,在循环50次后比容量仍然能够保持796 mAh/g。Wang[39]等人合成石墨稀与Mn3O4的复合材料,其比容量约为900mAh/g,几乎与其理论容量接近。Reddy等人[40]通过AAO模板法合成MnO2/C同轴纳米管阵列,其表现出优异的循环性能。3.3铁的氧化物铁的氧化物负极材料主要有FeO、Fe3O4和Fe2O3,其理论比容量分别为744、922、1007mAh/g。其对锂反应式如下:FeO+ 2Li++2e-↔Fe + Li2O (1-12)Fe3O4+8Li++8e-↔3Fe + 4 Li2O (1-13)Fe2O3+6Li++6e-↔2Fe+3 Li2O (1-14)其中Fe2O3因其具有比容量高、稳定性高、环境友好等特点而被广泛研究。但是,Fe203作为半导体,其导电性差,电子传递速度慢,加上在充放电过程中会出现材料聚集的现象,这使得多数的Fe2O3材料的循环稳定性都比较差,对于改善Fe2O3材料的循环性能的方法主要有两类,其一为合成不同特殊形貌的Fe2O3材料,如:纳米管,纳米片,纳米胶囊等。另一种方便、有效的改性方法为与碳材料进行复合。Reddy等人[41]通过热处理的方法在铜箱上合成α- Fe2O3纳米片,作为锂离子负极材料表现出优异的循环性能,在65 mA/g电流密度下循环80次容量几乎没有衰减,保持在约700 mAh/g。Zhao等人[42]通过水热法合成单壁碳与Fe2O3;复合材料,其表现出极好的循环性能和倍率性能,在1 A/g大电流密度下可逆容量依旧可以保持约为680mAh/g。3.4镍的氧化物NiO的储锂机理中一般认为NiO与Li反应,转化为Ni纳米颗粒和Li2O,其理论比容量可达718 mAh/g,反应式可表达如下:NiO + 2Li+2e-↔Ni+Li2O (1-15)虽然NiO具有较高的比容量,但是由于其导电性差,不利于电子的迁移和离子的扩散,造成NiO材料在首次循环中出现较大的不可逆容量损失(约为35%),加上在循环过程中的巨大体积变化,从而使得材料的容量衰减很快,导致循环性能差的缺点。近些年来人们采取一系列方法来对NiO材料进行改性,其中主要包括:与碳材料进行复合、合成具有纳米结构的NiO材料。Qian等人[43]通过超声方法合成石墨稀与3D NiO复合材料,其表现出优异的循环性能,在200mA/g电流密度下循环50次可逆容量依旧高达1065 mAh/g。Wei等人[44]通过溶剂热法合成NiO/C杂化微球,极大的改善了NiO材料的循环稳定性,在电流密度为387 mA/g下循环20次可逆容量仍可以维持在400 mAh/g左右。Wang等人[45]通过热处理方法在泡沫镇上生成三维多孔NiO材料,表现出优异的循环性能,在0.2 C倍率下循环30次可逆容量可保持在540 mAh/g3.5铜的氧化物铜的氧化物也是过渡金属氧化物中的主要一员,研究较多的有CuO和Cu2O,其理论容量分别为674mAh/g和375mAh/g。与前面叙述的氧化物类似,铜氧化物也面临着首次不可逆容量损失大,循环性能差等缺点。目前,对铜氧化物材料进行了大量的改性工作,主要的改性方法包括制备不同形貌纳米材料,与碳材料进行复合等。Sun等人[46]通过阴极极化的方法在Cu片在合成一维针状CuO材料,用于锂离子电池负极材料,在2C电流密度下循环100次可逆容量依旧能保持在583.1 mAh/g,在15和20 C大倍率电流密度下容量分别为545.9和492.2mAh/g 、表现出良好的循环性能和极好的倍率性能。Wang等人[47]通过简单的溶液法合成CuO/石墨稀的复合物,在65 mA/g电流密度下循环100次可逆容量依旧可保持在600mAh/g,即使在600mA/g高电流密度下其比容量依旧可达150mA/g。4 3d过渡金属氧化物负极材料的改性虽然过渡金属氧化物具有超高的理论容量,大多数都在700 mAh/g 以上。但是3d过渡金属氧化物一般都为半导体材料,其导电性都比较差,而且在反应过程中生成的惰性Li2O进一步导致材料导电性的恶化,从而阻碍材料的电子导电与离子扩散,产生电化学反应动力不足等缺点;并且,过渡金属氧化物在与锂发生反应过程中会产生很大的体积膨胀,这会产生较大的应力,导致活性颗粒的粉化,使得活性材料在不断的充放电过程中慢慢的与集流体等失去电接触,同时由于体积出现巨大膨胀,从而将导致纳米粒子产生电化学团聚现象,进而丧失电化学活性。这些因素导致3ci过渡金属氧化物的循环性能差。目前对过渡金属氧化物的研究主要集中于对其的改性,改性措施主要分为纳米化与复合化这两类。其中纳米化结构包括零维的纳米颗粒,一维的纳米棒、纳米管、纳米带、纳米线、纳米针,二维的纳米片、纳米小板等[36,37,41,46,48]。这些结构具有许多独特优势: 1.可以促进电子电导和缩短锂离子的传输路径;2.可以有效的增加电解液与电极的接触面积;3.纳米材料可以诱发新的储锂机制;4.能有效缓解充放电过程中的体积变化。实践也证明这种纳米化结构过渡金属氧化物材料具有优异的循环性能。Bruce等人[49]以SBA-15为模板通过化学沉淀法制备了介孔Co3O4纳米线,在100 mA/g 电流密度下循环60次可逆容量依旧保持在约800mAh/g,表现出极好的循环稳定性。Zhu等人[50]通过水热法在Ni基片上合成CoO4纳米棒阵列,其在1 C倍率下循环20次可逆容量仍高3达1000 mAh/g,具有优异的循环性能。复合化主要体现在与碳材料的复合,其中碳材料的来源主要有无定型碳、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨稀等[18,21,35,43,44,47]。与碳复合是一种非常有效的改性方法,这些碳材料一方面可以提高活性物质的电子电导率。另一方面,碳材料一般表面积都比较大,这样可以有效的缓解活性物质在充放电过程中的体积变化。除此之外,碳材料本身也可以进行储锂。目前,与碳材料进行复合作来改善过渡金属氧化物材料的循环性能引起了人们的极大关注,特别是继石墨稀发现之后,全球掀起了一股以石墨稀与过渡金属氧化物进行复合的热潮。Yang等人[51]通过超声法合成CoO量子点与石墨稀的复合物,其量子点尺寸为3-8 nm,作为锂离子电池负极材料,在50mA/g密度下循环50次可逆容量仍高达1600mAh/g,即使在1A/g这样大电流密度下可逆容量依旧可达l000mAh/g人其表现出极好的循环性能与倍率性能,主要归因于石墨烯可以极大提高CoO导电性,同时石墨稀较大的比表面积(约为2630 m2/g)可大大缓解CoO在充放电过程中的体积膨胀问题。Wang等人[52]通过水热法合成CoO纳米棒与碳纳米管的具有核壳结构的复合材料,表现出良好的循环性能,在电流密度高达3580 mA/g循环200次可逆容量还可保持730 mAh/g。Wang等人[53]通过原位还原法合成MnO/C复合材料,在200 mA/g电流密度下循环40次可逆容量依旧保持在600 mAh/g人展现了优异的循环性能。另外,合成具有多孔结构(复合)材料也可以有效的改善过渡金属氧化物的循环性能,这些多孔结构可以有效缓解材料在充放电过程中的体积变化,提高材料的循环稳定性[29,31,38];同时多孔结构可以增加电解液与电极材料的接触面积,为电化学反应提供更多的反应点,有利于电化学反应的快速进行,从而增强倍率性能。Zhou等人[54]通过水热法合成介孔Fe3O4/C微胶囊复合材料,在186 mA/g电流密度下循环50次可逆容量可达800 mAh/g,具有优异的循环性能。Chen等人[55]通过水热法在Cu片上合成具有多孔结构的Co3O4纳米针材料,其首次放电容量可达到1600mA/g,在0.5 C倍率下循环20次可逆容量依旧保持在800mA/g。Huang等人[56]通过水热法在Ti片上生长CoO多孔纳米线,在716 mA/g电流密度下循环20次可逆容量还可保持约为700 mA/g。目前,对于过渡金属氧化物的改性方法趋向于综合化,通过简单易行、能耗低的方法来对材料进行改性是未来的方向。5 总结与展望综上分析,3d 过渡金属氧化物M x O y负极材料具有很高的可逆容量,较好的倍率性能,同时,也具有首次放电容量损失大、循环稳定性差的缺点。研究者已采用各种方法进行掺杂包覆,提高M x O y的导电率,抑制纳米颗粒的团聚,改善其电化学性能,并取得了良好的效果。总之,将M x O y负极材料结构化( 空心、核壳、多孔等) ,发挥微米、纳米结构的优势,做成微/ 纳米复合材料,或者将M x O y与其他功能材料复合,克服M x O y的缺点,发挥多组分优势,做成多元复合材料,是制备高性能3d 过渡金属氧化物M x O y负极微/ 纳米材料的发展趋势。相信随着研究的不断深入,3d 过渡金属氧化物负极微/ 纳米材料会有更好的应用前景。参考文献:[1] Guo P, Song H, Chen X. Electrochemical performance of graphene nanosheets as anode material for lithium-ion batteries [J].Electrochem Commun,2009,11:1320[2] Kim H, Seo D H, Kim S W, et al. Highly reversible Co3O4/graphene hybrid anode for lithium rechargeable batteries [J].Carbon,2011,49:326[3] Sun B, Chen Z, Kim H S, et al. MnO/C core-shell nanorods as high capacity anode materials for lithium-ion batteries [J].J Power Sources,2011,196:3346[4] Xiang J Y, Tu J P, Zhang J, et al. Incorporation of MWCNTs into leaf-like CuO nanoplates for superior reversible Liion storage[J]. Electrochem Commun,2010,12:1103[5] Xiang J Y, Tu J P, Y uan Y F, et al. Improved electrochemical performances of core-shell Cu2O/Cu composite prepared by a simple one-step method[J]. Electrochem Commun, 2009,11:262[6] Bai Y P, Xing J D, Wu H L, et al. ,The mechanical alloying mechanism of various Fe203-Al-Fe systems [J]. Advanced Powder Technology, 2013,24(1): 373-381.[7] Ahmmad B, Leonard K, Islam M S, et al. , Green synthesis of mesoporous hematite (alpha-Fe2.3) nanoparticles and their photocatalytic activity [J] Advanced Powder Technology, 2013,24(1): 160-167.[8] Winter M, Besenhard J 0,Spahr M E, et al. ,Insertion electrode materials for rechargeable lithium batteries [J], Advanced Materials, 1998,10(10): 725-763.[9] Reeves S D and Morris R S. Improved MCMB anodes by surface modification with self-assembling nonionic surfactants [J]. Electrochemical and Solid State Letters,2004,7(8): B29-B30.[10] Mochida I, Ku C H and Korai Y. Anodic performance and insertion mechanism of hard carbons prepared from synthetic isotropic pitches [J]. Carbon, 2001,39(3):399-410.[11] Che G L, Lakshmi B B, Fisher E R, et al” Carbon nanotubule membranes for electrochemical energy storage and production[J]. Nature, 1998,393(6683):346-349.[12] Kim C, Yang K S, Kojima M, et al. ,Fabrication of electrospinning-derivedcarbon nanofiber webs for the anode material of lithium-ion secondary batteries [J]. Advanced Functional Materials, 2006,16(18): 2393-2397.[13] Yoo E, Kim J, Hosono E, et al. ,Large reversible Li storage of graphene nanosheet families for use in rechargeable lithium ion batteries [J]. Nano Letters,2008,8(8): 2277-2282.[14] Park C M, Kim J H, Kim H, et al., Li-alloy based anode materials for Lisecondary batteries [J]. Chemical Society Reviews, 2010,39(8): 3115-3141.[15] Kasavajjula U, Wang C S and Appleby A J. Nano- and bulk-silicon-based insertion anodes for lithium-ion secondary cells[J]. Journal of Power Sources, 2007,163(2): 1003-1039.[16] Li H, Huang X J, Chen L Q, et al, A high capacity nano-Si composite anode material for lithium rechargeable batteries [J]. Electrochemical and Solid State Letters,1999,2(11): 547-549. [17] Yang J, Wachtler M, Winter M, et al., Sub-microcrystalline Sn and Sn-SnSb powders as lithium storage materials for lithium-ion batteries [J], Electrochemical and Solid State Letters, 1999,2(4): 161-163.[18] Derrien G, Hassoun J,Panero S, et al.,Nanostructured Sn/C composite as an advanced anode material in high-performance lithium-ion batteries[J]. Advanced Materials, 2007,19(17):。