锂离子二次电池负极用碳材料及其储锂机理
锂离子电池研究_综述
锂离子电池研究综述—陈欢1 锂离子电池简介离子电池又称为“摇椅电池”，是指以可供锂离子嵌入脱嵌的物质作为正、负极的二次电池。
电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液，根据所用电解质的状态，可分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池。
1.1 锂离子电池的工作原理[1]一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。
虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。
充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。
再充电，又重复上述过程。
以典型的液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以LiCoO2为正极材料时，其充放电原理为：充电时，Li+从LiCoO2中发生脱嵌，释放一个电子，C3+被氧化为C4 +，与此同时，Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面，进而插入到石墨结构中，石墨结构同时得到一个电子，形成锂—碳层间化合物Li x C6，放电时过程则相反，Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极LiCoO2中。
图1 锂离子电池从放电示意图1.2 锂离子电池的优缺点[2](1)能量密度高，输出功率大。
(2)平均输出电压高(约3.6V)，为Ni-Cd、Ni-MH电池的三倍。
(3)工作温度范围宽，一般能在-20-45℃，期望值为-40-70℃。
(4)无记忆效应。
(5)可快速充放电，充放电效率高，可达100%。
(6)没有环境污染，称为绿色电池。
(7)使用寿命长，可达1200次左右。
当然，目前的锂离子电池还存在一些不足。
(1)成本较高，主要是正极材料的价格高，随着正极材料的研究开发不断深入一些新的更廉价的正极材料，如LiMnZO4、LiFePO4等己经初步商品化。
(2)过充电的安全问题还需要进一步解决;(3)与普通电池的相容性差，一般要在用3节AA电池(3.6V)的情况下才可以用锂离子电池代替。
2. 锂离子电池的正极材料为了提高锂离子电池的输出电压、比容量、循环使用寿命，目前正在开发的正极材料主要是具有层状结构、尖晶石结构和橄榄石结构的嵌入化合物，主要有氧化钻锂、氧化镍锂、氧化锰锂、磷酸亚铁锂、三元复合材料等。
锂离子电池负极材料的研究进展
锂离子电池负极材料的研究进展摘要：当前全球范围内的石油和其他传统能源越来越稀缺，迫切需要有效开发和利用可再生能源，例如太阳能、风能和潮汐能。
但是，这些新能源供应不稳定且持续不断，因此需要先转换成电能再输出，这促进了可充电电池的研究。
传统的铅酸电池，镍镉电池和镍氢电池存在使用寿命短、能量密度低和环境污染等问题，极大地限制了它们的大规模应用。
当前，电池行业的首要任务是找到可替代传统铅酸电池和镍镉电池的可充电电池，迫切需要开发无毒、无污染的电极材料和电池隔膜以及无污染的电池。
与传统的二次化学电池相比，锂离子电池由于其吸引人的特性已经在电子产品中占主导地位，显示出广阔的发展前景。
关键词：锂离子电池；负极材料；研究进展引言国际能源结构正从传统化石能源的主导地位逐渐转变为低碳、清洁和安全的能源，以二次电池为代表的电化学储能技术已成为最有前途的储能技术之一。
锂离子电池因其比能量高、工作电压高、循环寿命长和体积小等特点得到了广泛关注。
锂离子电池主体由正极、隔膜、负极、封装壳体四部分组成，就提高电池的比能量而言，提高负极的性能相对于改进正极、隔膜、封装壳体更为容易。
负极又包括了电流集流体(通常是铜箔)、导电剂(通常是乙炔黑)、粘结剂(通常是聚偏氟乙烯)和具有与锂离子可逆反应的活性材料。
电极的性能几乎取决于活性材料的性能。
１嵌入型负极材料嵌入型负极材料嵌入机制可以描述为，材料结构中可以容纳一定的外来的锂离子，相变形成新的含锂的化合物，并且能在随后的充放电过程中脱出外来的锂离子，恢复到先前的原始结构。
嵌入型负极材料，包括已经商业化锂离子电池负极材料石墨、非石墨化的碳材料（如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维）、ＴｉＯ２以及钛酸锂等。
其中碳质材料的优点包括良好的工作电压平台，安全性好以及成本低等。
但是也存在一些问题，如高电压滞后、高不可逆容量的缺点。
钛酸盐负极材料具有优异的安全性、成本低、长循环寿命的优点，但能量密度低。
石墨作为层状碳材料，是首先被商业化和人们所熟知的ＬＩＢ负极材料，也是最成功的嵌入型负极材料，锂离子嵌入后可生成层状ＬｉＣ６，其放电平台在０．２Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下，有优异的嵌／脱锂动力学性能，是比较完美的ＬＩＢ负极材料。
锂离子电池负极材料的分类
锂离子电池负极材料的分类
锂离子电池是一种以锂离子为载体的电池，其负极材料主要有碳负极、硅负极、金属氧化物负极和磷酸铁锂等。
下面将对这些材料进行详细
介绍。
1. 碳负极
碳负极是目前应用最广泛的锂离子电池负极材料，其主要成分为天然
石墨和人工石墨。
碳负极具有容量大、循环寿命长、稳定性好等优点，同时价格也相对较低。
但是碳负极的能量密度较低，无法满足高能量
密度应用的需求。
2. 硅负极
硅负极是一种新型的锂离子电池负极材料，具有高容量、高能量密度
等优点。
硅作为材料可以储存更多的锂离子，从而提高了电池的容量
和能量密度。
但是硅材料在充放电过程中会发生体积膨胀和收缩，导
致结构变形和断裂，影响了电池的循环寿命和稳定性。
3. 金属氧化物负极
金属氧化物负极是指以过渡金属氧化物为主要成分的锂离子电池负极
材料。
这类材料具有高容量、高能量密度、循环寿命长等优点。
但是
金属氧化物负极的价格较高，同时也存在着结构变形和容量衰减等问题。
4. 磷酸铁锂
磷酸铁锂是一种新型的锂离子电池正负极材料，其作为负极材料具有
高循环寿命、稳定性好等优点。
但是磷酸铁锂的容量较低，无法满足
高能量密度应用的需求。
总之，不同类型的锂离子电池负极材料各有优缺点，选择合适的材料
需要根据具体应用场景来进行考虑。
未来随着科技的发展和技术进步，相信会有更多新型的锂离子电池负极材料出现。
高性能锂离子电池负极材料的制备及其性能的研究PPT课件
2021
17
·
谢谢聆听
2021
18
2021
7
碳基负极材料
常见的碳基负极材料有：石墨、硬碳、软碳等。对碳基材料进 行改性的方法常有：机械研磨、表面包覆、表而氧化、掺杂等。碳 基材料首次充放电效率高、导电性好、不可逆容量低、电极电势较 低且价格低廉来源广。但碳基材料比容量低难以满足现在越来越高 的能量需求。
钛基负极材料
常见的钛基负极材料为：TiO2、Li4Ti5O12。钛基材料的常见合 成方法有：水热合成法、溶胶-凝胶法、模板法、电化学阳极氧化 法、液相沉淀法、超声合成法等。TiO2 较高的嵌锂离子电位(1.5～ 1.8 V)，可以避免锂枝晶的生成，然而TiO2本身是半导体，导电性 差；Li4Ti5O12由于在嵌锂离子时具有零应变(体积变化约 0.2%)特性 ，具有较正的理论嵌锂离子电位(1.55 V，vs. Li/Li+)，被认为是一 种理想的锂离子电池负极材料；然而， Li4Ti5O12导电性差，导致 其大电流倍率性能差为提高材料的电子导电性，目前的研究主要 集中在掺杂和表面修饰。
• 1980 年，Armand 率先提出锂蓄电池负极不再采用金属锂，而是正负极均采 用能让锂离子自由脱嵌的活性物质TiS2。从此以后，锂离子电池得到了迅猛 的发展。
• 1990 年日本的索尼(Sony)公司率先开发了首个商用锂离子电池，随后革新了 电子产品的新面貌，它是把锂离子嵌入碳中形成负极，取代传统锂原电池的 金属锂或锂合金作负极。
2021
10
研究内容以及方案
需要解决的问题
a)硅负极方面：
1（减缓体积膨胀）电化学储锂时，由于硅原子结合锂原 子得到合金相的过程对应的材料体积变化大（~400%）引起 的电极可逆容量的迅速衰减。
什么是负极材料
什么是负极材料
负极材料是锂离子电池中的一个关键组件，主要用于储存和释放锂离子。
负极材料是电池中的一个极板，具有良好的导电性和电化学性能，能够在充放电过程中吸收和释放锂离子。
目前，常用的负极材料主要有石墨（Graphite）和硅（Silicon）两种。
石墨是一种具有层状结构的碳材料，由碳原子通过共价键连接而成。
石墨具有一定的导电性和稳定性，在锂离子电池中作为主要的负极材料被广泛使用。
石墨具有良好的循环稳定性和电化学性能，能够有效地吸附锂离子并释放出来。
由于石墨材料价格低廉、稳定性高、循环寿命长，因此仍然是锂离子电池中主流的负极材料。
然而，石墨的储锂容量相对较低，无法满足日益增长的电池需求。
为了提升电池的能量密度，研究人员开始探索硅作为替代材料。
硅具有较高的储锂容量和电导率，比石墨高出几倍，可以实现更高的能量密度。
硅的负极材料主要通过纳米材料的设计和合成来解决其体积膨胀的问题，以提高其循环稳定性和充放电性能。
尽管硅材料的成本较高，但由于其极高的储锂容量和更高的能量密度，正在成为未来锂离子电池中备受关注的负极材料之一。
总之，负极材料在锂离子电池中起着至关重要的作用，直接影响电池的能量密度、循环稳定性和安全性能。
石墨和硅是目前主要的负极材料，各自具有不同的优势和挑战。
随着科学技术
的不断发展，研究人员将继续探索新的负极材料，以进一步改善电池的性能和功能。
合金型负极材料的储锂机制
合金型负极材料的储锂机制1. 引言1.1 概述概述部分的内容:合金型负极材料是锂离子电池中一类重要的储锂材料。
相比于传统的石墨负极材料，合金型负极材料具有更高的储锂容量和更好的循环性能，因此在锂离子电池领域具有广泛的应用前景。
本文将对合金型负极材料的储锂机制进行深入探讨。
首先，我们将对合金型负极材料的定义和分类进行介绍。
合金型负极材料通常由两种或多种金属元素组成，具有复杂的晶体结构和化学反应过程。
根据元素的不同组成和结构特点，合金型负极材料可以分为多种类型，如硅基合金、锡基合金等。
其次，我们将着重分析储锂机制的影响因素。
合金型负极材料储锂的机制与其晶体结构、化学反应性以及锂离子的插入/脱出过程密切相关。
在储锂过程中，合金型负极材料会发生体积膨胀和收缩，这对电池的循环寿命和安全性产生了影响。
因此，了解储锂机制的影响因素对于提高合金型负极材料的性能至关重要。
本文的研究目的是全面了解合金型负极材料的储锂机制，并对其未来发展进行展望。
通过对合金型负极材料的研究，我们可以深入了解其结构特点和储锂性能，为锂离子电池的设计和制造提供指导和借鉴。
同时，我们也能够预见到合金型负极材料在未来的发展趋势，为锂离子电池技术的创新和进步提供新的思路和方向。
本文将从引言、正文和结论三个部分来系统地介绍合金型负极材料的储锂机制。
在正文部分，我们将详细讨论合金型负极材料的定义和分类，以及储锂机制的影响因素。
而在结论部分，我们将对合金型负极材料的储锂机制进行总结，并展望其在未来的发展前景。
通过这篇文章的阅读，读者将能够对合金型负极材料的储锂机制有一个全面而深入的了解，进而为相关领域的研究和应用提供有力支持。
1.2 文章结构本文主要探讨合金型负极材料的储锂机制。
文章按照以下结构展开：引言部分将概述合金型负极材料的研究背景和重要性，并给出本文的目的和意义。
正文部分将分为两个小节：2.1 合金型负极材料的定义和分类：介绍合金型负极材料的基本概念和定义，并根据不同的组成参数和结构特征对其进行分类和归纳。
锂离子电池新型负极材料的研究
锂离子电池新型负极材料的研究本文着重介绍了锂离子电池负极材料金属基（Sn基材料、Si基材料）、钛酸锂、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）的性能、优缺点及改进方法，并对这些负极材料的应用作了进一步展望。
锂离子电池因具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电小及环境友好等显著优点，已被广泛用于3C电子产品(Computer，ConsumerElectronic和Communication)、储能设备、电动汽车及船用领域。
锂离子电池的能量密度（170Wh/kg），约为传统铅酸蓄电池的3～4倍，使其在动力电源领域具有较强的吸引力。
而负极材料的能量密度是影响锂离子电池能量密度的主要因素之一，可见负极材料在锂离子电池化学体系中起着至关重要的作用，其中研究较为广泛的锂离子电池负极材料为金属基（Sn基材料、Si基材料）、钛酸锂、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）等负极材料。
金属基材料1.1锡基材料目前锡基负极材料主要有锡氧化物和锡合金等。
1.1.1锡氧化物SnO2因具有较高的理论比容量（781mAh/g）而备受关注，然而，其在应用过程中也存在一些问题：首次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应（体积膨胀250%～300%）、循环过程中容易团聚等。
研究表明，通过制备复合材料，可以有效抑制SnO2颗粒的团聚，同时还能缓解嵌锂时的体积效应，提高SnO2的电化学稳定性。
Zhou等通过化学沉积和高温烧结法制备SnO2/石墨复合材料，其在100mA/g的电流密度下，比容量可达450mAh/g以上，在2400mA/g电流密度下，可逆比容量超过230mAh/g，实验表明，石墨作为载体，不仅能将SnO2颗粒分散得更均匀，而且能有效抑制颗粒团聚，提高材料的循环稳定性。
1.1.2锡合金SnCoC是Sn合金负极材料中商业化较成功的一类材料，其将Sn、Co、C三种元素在原子水平上均匀混合，并非晶化处理而得，该材料能有效抑制充放电过程中电极材料的体积变化，提高循环寿命。
纳米硅碳负极材料
纳米硅碳负极材料纳米硅碳材料是一种新型的负极材料，可以用于锂离子电池和其他能源储存设备中。
它的独特结构和化学性质使其具有良好的电化学性能和储能能力。
在本文中，我将详细介绍纳米硅碳材料的特点、制备方法、性能以及它在能源储存领域的应用。
纳米硅碳材料与传统的碳负极材料相比，具有更高的比容量和更低的循环稳定性。
这是由于硅和碳的协同作用，硅可以嵌入碳纳米结构中，增加了材料的储锂能力，同时碳可以充当导电网络的作用，提高了电子传导性能。
此外，纳米硅碳材料具有较低的体积膨胀率，更好的电化学稳定性和更长的循环寿命。
制备纳米硅碳材料的方法有很多种，包括机械球磨、溶液浸渍、化学气相沉积等。
机械球磨是一种简单有效的制备方法，可以通过球磨硅粉和碳粉来实现硅和碳的混合。
溶液浸渍法是将硅和碳纳米颗粒分散在溶液中，然后通过干燥和烧结来形成纳米硅碳材料。
化学气相沉积是一种高温反应方法，通过控制反应温度、反应气氛和反应时间等参数来合成纳米硅碳材料。
纳米硅碳材料具有优异的性能，包括高比能量、高循环稳定性和良好的倍率性能。
它的高比能量使其成为理想的负极材料，可以实现高能量密度的电池设计。
高循环稳定性意味着纳米硅碳材料在长期循环充放电过程中能够保持稳定的电化学性能。
良好的倍率性能意味着纳米硅碳材料可以在高速充放电条件下保持稳定的性能。
纳米硅碳材料在能源储存领域有广泛的应用。
它可以用于锂离子电池、锂硫电池和钠离子电池等储能设备中。
在锂离子电池中，纳米硅碳材料可以作为负极材料，提高电池的储能能力。
在锂硫电池中，纳米硅碳材料可以作为硫的载体，提高硫的储能能力。
在钠离子电池中，纳米硅碳材料可以替代锂离子电池中的锂材料，实现可持续的储能。
总之，纳米硅碳材料是一种具有潜力的负极材料，可以用于各种类型的能源储存设备中。
它的独特结构和化学性质使其具有良好的电化学性能和储能能力。
随着材料制备技术的发展和理解的深入，纳米硅碳材料有望在能源储存领域发挥更重要的作用。
- 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)。
锂离子二次电池负极用碳材料及其储锂机理
x
锂离子二次电池负极用碳材料及其储锂机理
锂离子二次电池是一种电化学储能系统，具有高能量密度、高效率和低成本等优点，已被广泛应用于电动汽车、消费电子和储能系统等领域。
由于其安全性和可持续性，它也被越来越多地用于储能应用。
锂离子二次电池技术的发展受限于其极限储能容量，因此提高其储能容量被认为是提升其性能的关键技术。
在锂离子二次电池的负极材料中，碳材料是目前应用最广泛的材料，其主要原因是它具有优良的电化学性能、高比容量，以及可表现出多种形式的结构等优点。
然而，在碳材料中，锂离子和其他离子的解离储存机制仍处于探索阶段。
首先，碳材料的结构差异决定了其储锂的能力。
在碳材料的结构中，由于存在晶格缺陷，锂离子可以准确地插入到碳结构的中间，通过离子间的作用，形成共价键。
当锂离子被吸附在晶体表面上时，它们依然可以主动地与邻近的碳原子之间相互作用，形成共价键，从而被更深地吸附在材料的中间位。
其次，碳材料的结构和结构特性对其储锂性能也有很大的影响，特别是介孔碳材料有着独特的结构属性，这使得它拥有更优的储锂性能。
介孔碳材料具有双层结构，它将碳纳米管和碳纤维层层叠加，其孔径在1-50nm之间，可以增加碳表面积，从而增加储锂容量。
此外，碳材料还具有较高的比电容，可以改善电池的放电性能。
此外，由于碳材料可以通过碳酸锂化学反应而不破坏其结构，因此其循环放电寿命也可以得到改善。
总之，碳材料是一种非常重要的锂离子二次电池负极材料，其储锂机理主要是基于其极好的电化学性能、高比容量和结构多样性这些特点，其主要机理是锂和其他离子的通过共价键及电容作用被吸附在碳材料的表面或内部。
而介孔碳材料的介孔特性也使其具有更高的储锂容量。
通过不断改进碳材料的结构，把握其储锂机理，有助于锂离子二次电池的性能提升。