＊李亞玲

（廣東風(fēng)華新能源股份有限公司 廣東 526040）

鋰電子電池以石墨材料、碳元素材料作為負(fù)極，鈷酸鋰作為正極，具有高比能、自放電性小、沒(méi)有記憶等優(yōu)點(diǎn)，因而被人們作為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等便攜電子產(chǎn)品的電源使用。但是從實(shí)際情況來(lái)看，碳質(zhì)負(fù)極鋰電池離子二次電池第一次充電時(shí)負(fù)極表面形成的固體電解質(zhì)膜會(huì)讓電池內(nèi)部的阻抗增加，且作為動(dòng)力電池還存在能量小、功率低下和使用壽命短暫的特點(diǎn)。為了能夠提升鋰電子電池的使用性能，文章現(xiàn)著重就鋰電子電池負(fù)極材料的使用問(wèn)題進(jìn)行探究。

1.鋰離子電池負(fù)極材料的基本特點(diǎn)

鋰電子電池負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池性能的提升有著十分重要的作用，鋰電子負(fù)極材料在使用的過(guò)程中要具備以下幾個(gè)條件：第一，鋰離子負(fù)極材料要為層狀結(jié)構(gòu)或者隧道結(jié)構(gòu)，這樣結(jié)構(gòu)能夠使得鋰離子脫嵌，并在鋰離子出現(xiàn)脫出、嵌入時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變化，從而使得鋰離子電池電極具備良好的充放電能量，提高電池的使用壽命。第二，鋰離子要能夠盡可能多的完成嵌入和脫出，從而使得電子具有較高的可逆性。同時(shí)，在鋰離子脫嵌的過(guò)程中電池本身要能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的充電和放電。第三，第一次不可逆電池的放電量比較小。第四，鋰離子電池負(fù)極材料要具備較強(qiáng)的安全性能。第五，鋰離子電池材料和電解質(zhì)溶劑的相容性比較好。第六，鋰離子電池負(fù)極材料資源獲取豐富、多樣，價(jià)格低廉。

2.鋰離子電池負(fù)極材料的基本類型

(1)碳材料

①石墨。碳材料按照結(jié)構(gòu)可以劃分為石墨和無(wú)定形碳元素。石墨是鋰離子電池常用的碳負(fù)極材料，具備良好的導(dǎo)電性和結(jié)晶度，且石墨本身還具備完整的層狀晶體結(jié)構(gòu)，十分適合鋰離子的嵌入和脫出。在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)選擇多鱗片的石墨來(lái)作為碳負(fù)極原材料。

②無(wú)定形碳。常見(jiàn)的無(wú)定形碳包含有機(jī)聚合物熱解碳、樹(shù)脂碳等，近幾年，伴隨研究的深入發(fā)展，在改善鋰離子電池負(fù)極無(wú)定形材料性能方面取得了突破性進(jìn)展。使用晶體生長(zhǎng)熱法制備的含有微孔的無(wú)定形碳球會(huì)顯示出良好的球形形貌、可操控的單分散離子粒徑、光滑的表面，逆容量會(huì)達(dá)到每克430mAh，在第一次庫(kù)侖效率達(dá)到73%的時(shí)候，材料的動(dòng)力學(xué)性能要比中間相碳微球的性能良好。

③中間相碳微球。中間相碳微球是壽命比較長(zhǎng)的小型鋰離子電池、動(dòng)力電池生產(chǎn)加工常用的負(fù)極材料之一。但是從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看這類材料具有比容量低、價(jià)格高昂的問(wèn)題，如何降低材料的價(jià)格是相關(guān)人員在未來(lái)生產(chǎn)加工時(shí)需要思考和解決的問(wèn)題。

(2)合金材料

鋰離子中的元素能夠和多個(gè)金屬組合形成金屬化合物，但是在一定環(huán)境下鋰合金的形成是可以逆轉(zhuǎn)的。因此，從理論研究角度上來(lái)看，能夠和鋰元素組合成合金的過(guò)渡金屬都可以被當(dāng)作是鋰電池中的負(fù)極材料。

在鋰元素和這些金屬形成合金的過(guò)程中金屬的體積會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化，在這個(gè)過(guò)程中鋰元素的優(yōu)缺點(diǎn)會(huì)被進(jìn)一步放大，最終會(huì)使得鋰元素在充放電的過(guò)程中出現(xiàn)比較明顯的脫炭現(xiàn)象，鋰電池負(fù)極材料的性能就此會(huì)被降低。因此，為了能夠提升鋰電池負(fù)極電池的性能需要加大對(duì)活性復(fù)合金的研究。

(3)鈦氧化物

在鋰電池負(fù)極材料研究中所涉及到的鈦氧化物包含金紅石鈦氧化物、板鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦氧化物、堿硬錳礦太氧化物。鈦氧化物和鋰元素復(fù)合型氧化物包含了尖晶石、斜方相和銳鈦礦，在鈦氧化物三元系化合物中鋰電池負(fù)極材料研究中最受人們關(guān)注的是尖晶石復(fù)合氧化物。

尖晶石復(fù)合氧化物從較低電位過(guò)度金屬鈦和金屬鋰兩各氧化物組成，形成之后的尖晶復(fù)合氧化物存在比較多的缺陷，突出表現(xiàn)為尖晶石結(jié)構(gòu)中的鋰離子會(huì)廣泛擴(kuò)散，且尖晶石復(fù)合氧化物會(huì)在空氣中長(zhǎng)期的存在。在鋰離子負(fù)極材料嵌入、脫嵌的過(guò)程中尖晶石復(fù)合氧化物材料的性能會(huì)始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)，且隨著尖晶石規(guī)格的變化尖晶石的參數(shù)也不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。

3.負(fù)極材料的活性成分、材料尺寸、操作溫度對(duì)材料性能的影響

(1)負(fù)極材料的活性成分

早期階段鋰離子二次電池直接使用金屬鋰箔片來(lái)作為負(fù)極，在使用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)在電池充電的時(shí)候負(fù)極表面形成的金屬鋰容易形成枝狀的晶體，并穿刺隔膜或者電解液層，導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部出現(xiàn)短路和漏電問(wèn)題。鋰離子電池負(fù)極材料一般為石墨材料、碳元素材料，安全性和穩(wěn)定性比較高。在電池系統(tǒng)電極電位低于1V的時(shí)候，電池內(nèi)的有機(jī)電解質(zhì)會(huì)變得不穩(wěn)定，鋰離子插入石墨層的時(shí)候會(huì)和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成固體電解質(zhì)鈍化膜，在鈍化膜的作用下能夠穩(wěn)定電池系統(tǒng)。

在高溫的環(huán)境下形成固體電解質(zhì)膜的副化學(xué)反應(yīng)速率也會(huì)加快，電池內(nèi)部的阻抗會(huì)大幅度的提升，最終會(huì)使得比容量和功率性快速降低，在快速充放電狀態(tài)下操作時(shí)候容易出現(xiàn)因?yàn)榭焖侔l(fā)熱而出現(xiàn)的失控現(xiàn)象，最終會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題。在較低的溫度環(huán)境下如果活性顆粒緊縮，電解液的異離子性能會(huì)下降，材料電池內(nèi)部的阻抗會(huì)增大，放電性能力也會(huì)降低，在快速充電的狀態(tài)下負(fù)極表面容易出現(xiàn)鋰電鍍層。

(2)負(fù)極材料的尺度

商業(yè)化發(fā)展的鋰離子電池碳材料活性組分顆粒直徑在2μm到20μm之間，電池循環(huán)使用壽命在一千次左右。在碳元素材料和石墨材料的負(fù)極中活性材料顆粒如果太小，雖然能夠增大其比表面積，但是會(huì)使得固體電解質(zhì)膜的生成量增大，最終降低第一次充電可能帶來(lái)電池比容量降低和鋰損失問(wèn)題。在制作鋰離子電池電極的時(shí)候還會(huì)將分散的碳顆粒材料和粘合劑結(jié)合在一起之后，在壓入金屬網(wǎng)流體中的時(shí)候會(huì)形成負(fù)極。由于非活性成分占據(jù)了其中一部分的體積和質(zhì)量，電極異離子和導(dǎo)電子能力會(huì)大幅度的降低，最終導(dǎo)致鋰離子電池比容量、比功率性能受到影響。

在納米負(fù)極材料制作中，無(wú)序納米材料的制作會(huì)使用到固相法、高能球磨法、溶膠凝膠法，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展在學(xué)術(shù)領(lǐng)域發(fā)表了多篇關(guān)于高度有序納米陣列負(fù)極研究的報(bào)道，對(duì)氧化鋁模板和球形模板合成的納米陣列電極材料開(kāi)展了研究。使用等離子輔助模板方法得到的蜂窩狀有序納米線碳電極材料會(huì)顯示出較高的倍率性能，電極材料的性能是一般性薄膜電機(jī)材料性能的五十倍左右。

4.鋰離子電池負(fù)極材料未來(lái)發(fā)展的展望

對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，理想的負(fù)極材料要滿足以下幾個(gè)條件：第一，鋰離子電池負(fù)極材料具備良好的鋰離嵌入或者脫離性能，且在使用的時(shí)候結(jié)構(gòu)變化比較小。第二，鋰離子電池具備良好的嵌入和脫離反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能，在使用的過(guò)程中會(huì)保持比較高的能量密度。第三，鋰離子電池負(fù)極材料和Li的電勢(shì)比較接近，在配合使用的過(guò)程中會(huì)獲得比較理想的電池工作電壓。第四，鋰離子電池負(fù)極材料和主流電解液的兼容性比較好。第五，鋰離子電池材料具備較強(qiáng)的電子導(dǎo)電性能和離子導(dǎo)電性能。第六，鋰離子電池負(fù)極材料的生產(chǎn)原材料豐富多樣，合成電路操作簡(jiǎn)單、成本低廉。鋰離子電池負(fù)極材料的選擇要充分參考其所在的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用環(huán)境，辯證看待各個(gè)材料的性能。比如鈦氧化物雖然容量比較低，且充放電動(dòng)力學(xué)的運(yùn)作比較快，適合被人們用作工業(yè)便攜電子設(shè)備的電池材料使用。基于過(guò)渡元素的材料雖然動(dòng)力學(xué)性能不理想，但是材料的質(zhì)量比容量和體積比容量比較高，更加適合被用來(lái)作為大規(guī)模電站儲(chǔ)能材料使用。另外，在研究鋰離子電池新型負(fù)極材料的過(guò)程中還需要密切關(guān)注電化學(xué)測(cè)試電壓的確定和電壓滯后現(xiàn)象。同時(shí)，在處于較低電勢(shì)的時(shí)候還需要注重關(guān)注新型材料和電解液之間的反應(yīng)。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從人類對(duì)鋰電池的短期使用情況來(lái)看鋰電池是人類使用最為廣泛的便攜二次電池，伴隨人們生活中對(duì)鋰電池的進(jìn)一步使用，人們對(duì)鋰電池材料的加工性能和制備也開(kāi)始提出更高的要求。在這樣的背景下開(kāi)發(fā)研究性能優(yōu)異的非碳負(fù)極材料是鋰離子電池新型負(fù)極材料研究發(fā)展的一個(gè)重要方向。尖晶石材料中的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步提升鋰離子電池的穩(wěn)定性能，在鋰離子嵌入前后尖晶石的規(guī)格大小都不會(huì)出現(xiàn)變化，為此，在未來(lái)需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)尖晶石材料的使用研究。