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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电池非碳负极材料视屏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。本文就这些研究
2、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构是由一个石
3、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，我们能够看到在中间相炭微球
4、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，这大大加快
5、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于材料的性质
6、；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)锂离子能够尽可能多地发生可逆
7、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：基于硅-碳复
8、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。DongguanShineHongElectronicsCo.,LTD.东莞轩航电子有限公司锂电池负极材料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
9、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：根据XX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充放电量和充放电次数。第1页共1页负极材料：负极材料作为锂离子电池的重要组成部
10、分，其研究对象多种多样，归纳起来：主要分为两太类：第一类是碳材料，包括石墨化碳材料和无定形碳材料：第二类是非碳材料，主要包括硅基材料、锡基材料、过渡金属氧化物、金属氮化物及其它合金负极材料等。石墨材料是商业化应用最多的负极材料，主要包括天然石墨、人造石墨和各种石墨化碳(如石墨化碳纤维和石墨化中间相碳微球)三类。石墨材料的结构为层状结构，碳原子呈六方形排列并向二维方向延伸构成石墨片层，这些石墨片层以一定的方式堆积起来便构成了不同的石墨晶体结构，即六方结构(2H)和菱形结构(3R)。在石墨材料中一般两种结构共存，石墨片层间通过范德华力相互结合在一起理想石墨晶体的层间距为，密度/cm3。天然石墨的缺
11、陷：由于成膜不稳定，导致不可逆容量高，循环性能差。但天然石墨中的鳞片石墨电化学性能相对较好。石墨化碳材料除了石墨之外，还包括石墨化中间相碳微球(McMB)、碳纳米管(cNT)及碳纳米纤维(CNFs)等。McMB颗粒呈球形，表面光滑，比表面积较小，堆积密度较高，因此，体积能量密度比较大，首次嵌锂过程中的不可逆容量损失较少。而且McMB球形颗粒具有高度有序的层面堆积结构，有利于锂离子从各个方向嵌入和脱出，从而解决了普通石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片溶涨、塌陷，循环性能差，以及不能快速大电流放电等问题。碳纳米管(CNT)可以看成是由单层或多层石墨片状结构卷曲而成的准一维无缝中空管，长度一般在
12、微米级，直径约几个到几百个纳米，分为多壁碳纳米管(MWNT)和单壁碳纳米管(SWNT)两种。这类石墨化碳材料因导电性好、机械强度高、化学性质稳定、长径比大，比表面积大，且储锂容量太于372mAh/g的优点而得到了广泛的研究。无定形碳材料因为制各温度很低，石墨化过程进行得很不完全，得到的碳材料主要由石墨微晶和无定形区组成。通常，无定形碳材料可主要通过将小分子有机物进行催化裂解：将高分子材料直接低温裂解；低温处理其它碳前驱体等3种方法制得。采用以上原料和方法制备的无定形碳材料，其微晶尺寸一般比石墨微晶小2-3个数量级，且材料中古有大量纳微米孔隙，所以它的锂离子扩散系数和首次嵌脱锂比容量要比石墨的要
13、大。但是，由于它的晶体化程度比较低、结构不规整，锂离子从碳材料中嵌入，脱出时的极化较大，且材料比表面积也很大因此，无定形碳材料的嵌，脱锂时，没有明显的电压平台，电压滞后明显，且不可逆容量损失较大，首次效率较低，循环稳定性很差。氧化石墨(GmpjliteOxide，GO)是指石墨在强氧化剂的作用下被氧化，氧原子进入到石墨层间，使碳平面上的大键断裂，并以C-OH、C=O、-COOH等官能团的形式与密实的碳平面内的碳原子结合而形成的共价键型石墨层间化合物。氧化石墨仍然会保持着石墨的层状结构，但石墨材料的致密结构因氧化剂分子的插入而变得膨胀疏松，层间距一般大于。这些微孔的出现对不完全氧化改性石墨负极而言是有利于增大材料的储锂容量及增加锂离子的进出通道的。但碳平面内大键的破坏会使得GO不再具备导电性，且较多含氧官能目的出现也会导致更多的不可逆容量损失，因此，欲通过氧化的方法得到较理想的氧化石墨负极材料，就需要适当控制石墨被氧化的程度。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
