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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划锂离子电池,负极材料,理论容量计算固态化学课程论文锂离子电池负极材料发展情况材料科学与工程学院XX/6/2摘要：锂离子电池具有比能量高，放电效率高，使用寿命长的特点。锂离子电池的这些特性，使在市场上的到广泛的认可的同时，学者们也在积极的对其进行更深入的研究和改进。传统的锂电池结构是石墨负极，这使得锂离子电池在应用中存在这福集电极容量有限，新型负极电极在充放电过程中大幅度容量衰减的现象。因此，诸多学者对可替代碳负极的材料进行研究。如锂的金属合金，钛氧化物及锂钛化合物，石墨烯基材料等。本
2、文就这些研究做了一些总结和归纳。关键词：锂离子电池，负极，锂的金属合金，锂钛化合物一、锂电池简介锂离子电池具有比能量高，放电效率高，使用寿命长的特点。锂离子电池的这些特性，1使其每年在消费电子市场上获得数十亿的订单。人们希望电池在新能源电厂中的作为电能存储系统。锂离子电池还是零排放汽车中供电系统的候选，例如用于混合动力汽车和电动汽车。但是，锂离子电池在上述体系中的应用依旧未能实现，这是由于其在安全性、成本、使用温度范围和材料来源的广泛性等存在问题，亟待研究解决。锂离子电池轻便，结构紧凑，开路电压为4V，能量在100Whkg-1到150Whkg-1之间，是常用的电池材料。一个锂离子电池最常见的结
3、构是由一个石墨负极，锂的金属氧化物形成的正极和在混合有机溶剂的锂盐溶液的电解质，装入一个带隔膜的容器。图1展示的是一个典型的锂离子电池的结构。在大多数情况下这些电池是按负极、电解质、正极的顺序排列的。图1.典型的锂电池结构该电池的反应式：yC+LiMO2=LixCy+Li(1-x)MO2，y=6，包括锂离子在两电极之间可逆的嵌入和脱嵌，并伴随着电子的迁移。由于高电容量，锂离子电池已经在消费电子设备市场广泛发展，如移动电话，手提电脑，MP3等等。锂离子电池的电化学反应看上去很简单，由锂离子在在两极之间的可逆交换形成的。然而，实际上这种电池的运行需要持续不断的键合的过程。在图4A中，我们能够看到在
4、中间相炭微球中的氧化还原过程负极电压为，正极电压为4V。在电解液中产生的电流表明无论是还原还是氧化分解过程都能够表明它的稳定性。数据显示电解液的范围从到。同时在稳定的电解液环境下，中间相炭微球负极运行的很好，而正极只能在在它的有限范围内运行。同时我们也能够看到钴酸锂电池在这些电解液中的热稳定性不高。但是，实际上在电池工作中的动力学稳定性：电解液的初步分解是在负极表面形成的一层保护膜。这就提供了一个能确保其充电和放电过程延续性的环境。更危险的问题是在正极的氧化，超过正常工作条件下的电池的电解液的氧化极限。但是，如果有突发事件，如意外过充，超过了这一极限，正极上就没有保护膜形成，同时电解液持续氧化
5、，这大大加快了电池的失效。图2.锂离子电池组分的循环伏安曲线，钴酸锂，电解质；钴酸锂电极在液体电解质的稳定区。总体上，无论正极还是负极的分解，都意味着活性材料和电解质的消耗，伴随着气体的排放，造成电池容量的损失和带来安全隐患。无论是容量的损失还是气体的排放都需要我们严格的控制以便能够确保电池拥有优异的性能。锂电池领域的突破，需要在电极和电解液成分上有所创新。目标是找出性能优于传统电极材料的新材料。实际上，人们已经在九十年代初就把锂离子电池引入市场了，但其化学成分一直没有发生变化。正如已经提到的，大部分产品仍然依靠的是隔膜、锂盐有机物溶液、石墨负极和锂钴氧化物。总体上来说，任何产品的性能直接取决
6、于材料的性质；这也同样适用于锂电池。所以，只有在电极和电解质材料上取得突破，锂二次电池才能够稳步前进。因此，广泛的研发工作对于现有电池组件更新换代有着直接的关系，目的在于获得在能源、电力、成本、可靠性、寿命和安全性上更加优异的电池。为了达到这一目标，我们的工作主要集中在两个方向：用容量更高，成本更低的正极和负极材料作为石墨和锂钴氧化物的替代品，用更安全，更可靠的电解液系统来替换现有的有机碳酸盐电解液。锂离子电池的负极材料要求具备以下条件2:(1)具有层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌且在锂离子嵌入和脱嵌的过程中，结构上无明显的变化，以使电极具有良好的充电可逆性和循环寿命。(2)锂离子能够尽可能
7、多地发生可逆嵌入和脱嵌，以得到高容量密度;它提供了足够的空间来满足锡的扩大与收缩，并且确保循环的稳定性。可以作为一个保护层，确保了电极纳米粉体材料不被腐蚀。图4A展示的是锡的纳米颗粒在碳基中的平均分布的情况；图4B是一个锡颗粒的形貌；图4C说明了锡-碳纳米复合材料电极经过超过XX次的深度充电、放电循环仍具有高的电化学稳定性。图4D展示的是在X射线衍射仪照射下的锡-碳纳米复合材料样品在常温下露天保存一个多月后的形貌，形貌上无明显变化。这就说明了这种纳米复合结构的化学稳定性较高。与之相似的方法也被应用于研究锂-硅金属电极的性能提升。从多个实验室获得的实验结果表明，修饰过电极能够延长循环寿命。例如：
8、基于硅-碳复合材料，纳米线材料和三维多孔颗粒材料。由于这些重要的成果，锂的金属合金材料已经可以运用在锂电池的生产中。锡-钴-碳合金的形成是一个很好的例子，它们作为一种新型负极材料已经应用在商用电池上。为了提升负极的性能，在石墨表面涂上了很薄的金属层。我们希望通过加强导电性，从而达到提升电极性能，特别是在低温下的性能。高性能锂离子电池负极材料SnC纳微复合结构：透射电镜照片，充放电前后结构示意图。SnC纳微复合结构作为锂离子电池负极材料的循环性能曲线，插图为首次充放电电压-比容量曲线。在国家自然科学基金委、科技部以及中科院化学所“引进杰出青年人才计划”的支持下，化学所分子纳米结构与纳米技术院重点
9、实验室的研究人员，成功研制出一种具有优异循环性能的高容量锂离子电池负极材料。研究成果发表在近期的先进材料上，并被Nanowerk网站评述。锂离子电池是目前能量密度最高的绿色二次电池，已广泛应用于笔记本电脑、手机、摄影机等消费电子产品。随着无线信息通讯产品、数字娱乐产品、电动汽车、电动工具等领域的高速发展，对锂离子电池的能量密度、功率密度和寿命提出了更高的要求，迫切需要开发出更高性能的锂离子电池电极材料。继研制出V2O5纳微复合结构锂离子电池正极材料之后，最近化学所的科研人员又开发出高性能的锂离子电池负极材料。金属锡可以和Li形成高达的合金，具有很高的理论比容量，引起了人们的广泛关注。然而Li与
10、Sn形成合金时，伴随着巨大的体积膨胀，因此循环性能差，限制了其实际应用。最近，该课题组通过设计预留空腔的电极结构，提供了一种简易的解决方案，成功地把Sn纳米颗粒填充到弹性的碳空心球中，设计合成出具有特殊纳微结构的SnC复合材料。该SnC纳微复合结构中含有一定体积的空腔，使得嵌Li体积膨胀后的合金也可以被容纳在C空心球中，从而消除了Li插入/脱出过程中产生的应力，极大地改善了电极材料的循环性能。电池测试结果表明，100次充放电循环后，该复合材料仍具有高达550mAh/g的比容量，为目前广泛使用的石墨负极材料理论比容量的倍，是一种很有前途的高容量锂离子电池负极材料。，Volume20,Issue6
11、,Pages1160-1165，Wei-MingZhang,Li-JunWan）锂离子电池负极材料的研究进展摘要：随着时代的进步，能源与人类社会的生存和发展密切相关，持续发展是全人类的、共同愿望与奋斗目标。矿物能源会很快枯竭，解决日益短缺的能源问题和日益严重的环境污染是对国家经济和安全的挑战也是对科学技术界地挑战。电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的一个新热点本文阐述了锂离子负极材料的基本特性，综述了碳类材料、硅类材料以及这两种材料形成的复合材料作为锂离子电池负极材料的研究及开发应用现状。关键词：锂离子电池负极材料碳/硅复合材料引言：电极是电池的核心，由活性物质和导电骨
12、架组成正负极活性物质是产生电能的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。本文就锂离子电池的负极材料进行研究。锂离子电池是目前世界上最为理想的可充电电池。它不仅具有能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等特点，而且污染小，符合环保要求。随着技术的进步，锂离子电池将广泛应用于电动汽车、航空航天、生物医学工程等领域，因此,研究与开发动力用锂离子电池及其相关材料有重大意义。对于动力用锂离子电池而言，关键是提高功率密度和能量密度，而功率密度和能量密度提高的根本是电极材料，特别是负极材料的改善。1、锂离子负极材料的基本特性锂离子电池负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。锂离子电池负极材料应具备以下
13、几个条件：(1)应为层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌且在锂离子嵌入和脱出时无结构上的变化，以使电极具有良好的充放电可逆性和循环寿命；(2)锂离子在其中应尽可能多的嵌入和脱出，以使电极具有较高的可逆容量。在锂离子的脱嵌过程中，电池有较平稳的充放电电压；(3)首次不可逆放电比容量较小；(4)安全性能好；(5)与电解质溶剂相容性好；(6)资源丰富、价格低廉；(7)安全、不会污染环境。现有的负极材料很难同时满足上述要求。因此，研究和开发新的电化学性能更好的负极材料成为锂离子电池研究领域的热门课题。2、选材要求一般来说，锂离子电池负极材料的选择主要要遵循以下原则：1、插锂时的氧化还原电位应尽可能低，接
14、近金属锂的电位，从而使电池的输出电压高；2、锂能够尽可能多地在主体材料中可逆的脱嵌，比容量值大；3、在锂的脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确保好的循环性能；4、氧化还原电位随插锂数目的变化应尽可能的少，这样电池的电压不会发生显著变化，可以保持较平稳的充放电：5、插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化并能进行大电池充放电；6、具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的固体电解质界面膜；7、锂离子在主体材料有较大的扩散系数，便于快速的充放电；8、价格便宜，资源丰富对环境无污染3、负极材料的主要类型用作锂离子电池负极材料的种类繁多，根据主体相的化学组成可以分为金属
15、类负极材料、无机非金属类负极材料及金属-无机非金属复合负极材料。金属类负极材料：这类材料多具有超高的嵌锂容量。最早研究的负极材料是金属锂。由于电池的安全问题和循环性能不佳，金属锂在锂二次电池中并未得到应用。目前金属单质还不具有直接用作锂离子电池负极材料的可行性。锂合金的出现在一定程度上解决了金属锂负极可能存在的安全隐患，但是锂合金在反复的循环过程中经历了较大的体积变化，存储大量的锂时，体积可膨胀到原来的数倍，极大程度的造成电极粉化，电池容量迅速衰减，这使得锂合金并未成功用作锂离子二次电池的负极材料。无机非金属类负极材料：用作锂离子电池负极的无机非金属材料主要是碳材料、硅材料及其它不同非金属的复合材料碳材料：碳材料主要包括石墨类碳材料和非石墨类碳材料。4、锂离子负极材料的研究进展目前对锂离子电池负极材料的研究主要集中在碳类材料、硅类材料及这两种材料的复合材料。碳材料的研究石墨碳材料按其结构可分为石墨和无定形碳(软碳、硬碳)。石墨是最早用于锂离子电池的碳负极材料，其导电性好，结晶度高，具有完整的层状晶体结构，很适合锂离子的嵌入与脱出。石墨分为天然石墨和人造石墨。工业上多采用鳞片石墨作为碳负极的原材料。鳞片石墨晶面间距(d002)为nm，主要有ABAB排列的2H型
