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摘要：

 

伴隨著新能源汽車及儲(chǔ)能等行業(yè)的迅速發(fā)展，應(yīng)用端對于高能量密度鋰離子電池的需求日益增強(qiáng)。高性能鋰離子電池的開發(fā)離不開高能量密度電池材料。文章對目前研究較多且具有一定代表性的四類高能量密度鋰電負(fù)極材料的研究狀況進(jìn)行綜述，并對負(fù)極材料的發(fā)展趨勢作了簡要總結(jié)。

 

 

自上世紀(jì)90年代鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為相當(dāng)成熟的電池體系，并被應(yīng)用于新能源汽車、儲(chǔ)能電力系統(tǒng)及3C消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。伴隨著市場需求的不斷增長，人們對鋰離子電池在能量密度、功率密度、安全性能等方面提出了更高的要求。

 

在鋰電負(fù)極領(lǐng)域，主流的石墨材料在應(yīng)用上已經(jīng)接近理論比容量，提升空間有限，這成為制約鋰離子電池發(fā)展的重要因素。鑒于此，開發(fā)更高能量密度的鋰離子電池負(fù)極材料成為一種迫切需求。在尋找高能量密度負(fù)極材料的過程中，科研人員對多種材料進(jìn)行了嘗試，這些工作既是對新型負(fù)極材料的探索，同時(shí)也反映了負(fù)極材料的發(fā)展趨勢。

 

目前研究較多的高能量密度負(fù)極材料有硅基材料、錫基材料、金屬鋰、過渡金屬氧化物等。

 

01

 

硅基材料

 

硅有著較高的理論比容量，而且儲(chǔ)量豐富，是目前鋰電負(fù)極領(lǐng)域較為熱門的高能量密度電極材料。硅的理論比容量可達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨，被看做是最具商業(yè)化前景的下一代鋰電負(fù)極材料。

 

硅基材料的優(yōu)勢非常明顯，除理論比容量高、儲(chǔ)量豐富外，硅的平均放電電壓約為0.4V，既可提供合理的工作電壓，又可避免鋰枝晶的形成。但是硅基材料也存在一定問題：比如充放電過程中體積會(huì)發(fā)生巨大變化，容易導(dǎo)致顆粒粉化，電極固有結(jié)構(gòu)坍塌破壞，活性材料和黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑之間的接觸變差，進(jìn)而影響與集流體間的接觸，甚至從表面剝落。在充放電過程中，由于硅顆粒不斷地破裂粉化，更多的活性表面暴露出來，反復(fù)形成SEI膜，這樣會(huì)持續(xù)消耗活性鋰離子，進(jìn)而導(dǎo)致庫倫效率降低、容量嚴(yán)重衰減。硅作為半導(dǎo)體，本征電導(dǎo)率低，導(dǎo)電性差，也導(dǎo)致硅負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定性較差，阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

 

針對硅基材料存在的問題，目前主要的優(yōu)化策略有材料納米化、材料復(fù)合等。研究者通過材料納米化制備硅納米球、硅納米線、硅納米薄膜等不同維度的硅納米材料，優(yōu)化硅基材料性能。Yao等[5]以SiO2納米球?yàn)槟０逯苽淞艘环N相互連通的空心硅納米球，通過改善空心硅納米球的結(jié)構(gòu)，該材料作為電極表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過700個(gè)循環(huán)周期后，放電比容量仍有1420mAh/g。觀察循環(huán)后的電極材料，并未發(fā)現(xiàn)粉化現(xiàn)象。除了對硅基材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控外，還可以通過材料復(fù)合來優(yōu)化硅基材料性能。Wang等[6]在納米硅顆粒表面包覆軟碳層，并與石墨烯溶液混合、過濾、干燥制得硅/軟碳/石墨烯的復(fù)合材料。軟碳有效減輕硅顆粒體積效應(yīng)并促進(jìn)形成穩(wěn)定SEI膜，負(fù)載硅顆粒的石墨烯可以避免循環(huán)過程中硅顆粒由于體積變化互相擠壓碰撞，并提供電子和鋰離子傳輸通道，該材料在200mA/g的電流密度下循環(huán)100次后，可逆比容量保持在2600mAh/g以上。

 

02

 

錫基材料

 

同硅基材料一樣，錫基材料也具有較高的理論比容量，并且錫基材料還具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低、無毒、環(huán)保等優(yōu)勢。不過，錫基材料也存在明顯的問題，例如由于其在脫嵌鋰時(shí)發(fā)生相變和合金反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生巨大的體積膨脹效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料粉碎，材料結(jié)構(gòu)受到破壞，容量急劇衰退，循環(huán)性能差。

 

通過材料納米化以及與其他材料復(fù)合等方式可以有效改善錫基材料的性能。Ryu等使用高壓熱蒸發(fā)技術(shù)制備用于鋰離子電池的納米多孔錫負(fù)極材料。使用具有氣流系統(tǒng)的常規(guī)熱蒸發(fā)真空室進(jìn)行高壓熱蒸發(fā)，以形成具有納米孔結(jié)構(gòu)的錫。所制備的納米多孔錫的孔隙率超過98%。在沒有任何粘合劑或?qū)щ娞砑觿┑那闆r下，該材料在100圈循環(huán)后容量保持率可達(dá)63%。Feng等[12]以SnCl4為原料，通過冷凍干燥和煅燒工藝制備了多孔Sn@C復(fù)合材料。多孔結(jié)構(gòu)不僅減輕材料的體積效應(yīng)，而且提升了鋰離子傳輸速率，該材料在1A/g的電流密度下循環(huán)550次后，容量保持1116.3mAh/g，當(dāng)測試電流密度為5A/g時(shí)，比容量為406mAh/g，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

 

03

 

金屬鋰

 

金屬鋰具有極高的理論比容量，與硅的理論比容量接近。20世紀(jì)60年代，金屬鋰已被研究應(yīng)用于鋰電池。雖然起步早，但金屬鋰的應(yīng)用研究進(jìn)展緩慢，原因在于金屬鋰在充放電過程中發(fā)生體積變化容易刺破隔膜，形成短路，有著嚴(yán)重的安全性問題，而且壽命較短。

 

隨著技術(shù)的進(jìn)步，金屬鋰的研究又開始變得熱鬧起來。研究人員針對金屬鋰存在的鋰枝晶生長及材料粉化問題，提出了不同的策略，包括構(gòu)筑人工固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI膜）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電解液修飾等。

 

Wang等通過等離子輔助電子束蒸發(fā)工藝，在金屬鋰表面沉積約250nm厚的LiPON層。LiPON具有低的電子電導(dǎo)率，能夠有效抑制鋰金屬與電解液的副反應(yīng)，提高金屬鋰的化學(xué)穩(wěn)定性，促進(jìn)鋰均勻的沉積與脫出。該鋰負(fù)極在3mA/g的電流密度下循環(huán)900次后仍然十分穩(wěn)定，沒有鋰枝晶生成，用于300Wh/kg的鋰硫電池體系循環(huán)120次后，庫倫效率高達(dá)91%。

 

對金屬鋰進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠大幅提高比表面積，降低鋰負(fù)極局部電流密度，從而降低鋰枝晶的生長速率。You等為金屬鋰負(fù)極表面設(shè)計(jì)了一種具有高離子電導(dǎo)率、高彈性及良好化學(xué)穩(wěn)定性的生物聚合物薄膜，能夠適應(yīng)鋰負(fù)極循環(huán)過程中的體積變化并促進(jìn)鋰離子的快速轉(zhuǎn)移，從而形成無枝晶鋰金屬負(fù)極和穩(wěn)定的SEI膜界面，以LiFePO4為正極在全電池體系中循環(huán)500次后，容量保持率為87.1%。

 

電解液成分、濃度及添加劑等對SEI的形成有很大影響，對電解液進(jìn)行修飾是一種低成本、簡單高效的抑制鋰枝晶生長的方法。Qian等用含4mol/L雙氟磺酰亞胺鋰的二甲基氧基乙烷溶液作為電解液用于金屬鋰負(fù)極，與低鋰鹽濃度的電解液相比，產(chǎn)生的鋰枝晶更少，在0.2、4mA/cm2的電流密度下循環(huán)1000次后電極利用率分別為99.1%、98.4%。

 

04

 

過渡金屬氧化物

 

2000年，過渡金屬氧化物首次被提出可以應(yīng)用于鋰電負(fù)極。此后，過渡金屬氧化物受到研究者們的廣泛關(guān)注。過渡金屬氧化物具有較高的理論比容量，而且還具有安全性能好、成本低等優(yōu)勢，也被看做是具有前景的鋰電負(fù)極候選材料。過渡金屬氧化物作為負(fù)極材料時(shí)，存在循環(huán)過程中體積變化較大、電子電導(dǎo)率較低的問題，導(dǎo)致其循環(huán)性能和倍率性能較差，使得其商業(yè)化應(yīng)用受到限制。

 

目前針對過渡金屬氧化物存在的問題，研究者多采用材料納米化、制備多孔材料、材料復(fù)合等手段對其進(jìn)行改性。

 

通過材料納米化或制備多孔材料有利于提升過渡金屬氧化物的儲(chǔ)鋰性能。Li等利用水熱法制備了直徑為10-18nm、壁厚為3-5nm的TiO2（B）中空納米晶體負(fù)極材料，外形尺寸小于其他文獻(xiàn)中的TiO2負(fù)極材料，并具有較高的放電比容量和良好的循環(huán)性能、倍率性能。以0.2C在1.0～2.5V充放電，首次放電比容量接近360mAh/g，首次庫侖效率為73.0%；循環(huán)100次的放電比容量穩(wěn)定在212.8mAh/g，容量保持率接近80%；以10.0C的高倍率循環(huán)1000次，放電比容量為105mAh/g，容量保持率可達(dá)56.3%。Li等[19]通過層狀雙氫氧化物前驅(qū)體的拓?fù)渥儞Q，成功制備了介孔超薄Co3O4納米片陣列。該材料具有合適的超薄厚度和豐富的中孔結(jié)構(gòu)，其作為鋰離子電池負(fù)極材料顯示出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在0.1A/g電流密度下具有較高的初始可逆容量，為2020mAh/g，并且80次循環(huán)后可逆容量依然保持在1577mAh/g。該材料容量表現(xiàn)明顯高于已報(bào)道的Co3O4理論容量（890mAh/g），容量的明顯提高可歸因于不同的納米結(jié)構(gòu)改變了Li的存儲(chǔ)位置和容量。這種優(yōu)越的鋰儲(chǔ)存性能是由于超薄納米片結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，縮短了鋰離子的傳輸途徑。

 

通過制備復(fù)合材料，同樣可以優(yōu)化過渡金屬氧化物的性能，彌補(bǔ)其缺陷。Lee等采用簡單的室溫溶液法制備了MnO2/還原氧化石墨烯（rGO）納米復(fù)合材料。與普通MnO2納米材料對比發(fā)現(xiàn)，通過與導(dǎo)電性能良好的還原氧化石墨烯復(fù)合，MnO2倍率性能得到顯著提升。其中rGO的加入為MnO2提供了優(yōu)良的電導(dǎo)率，從而緩解材料在大電流下的極化現(xiàn)象，這有利于其在高倍率下得到更大的容量。此外rGO具有良好延展性，與MnO2復(fù)合后，能提升材料在充放電過程中體積膨脹的應(yīng)變?nèi)菹蓿�有利于預(yù)防材料的粉化現(xiàn)象，保持其容量。

 

05

 

結(jié)語

 

在新能源汽車、儲(chǔ)能等行業(yè)迅速發(fā)展的背景下，應(yīng)用端對于高性能鋰離子電池的需求日益增強(qiáng)，開發(fā)高能量密度的負(fù)極材料以提升鋰離子電池的整體性能是大勢所趨。以硅基材料、錫基材料、金屬鋰、過渡金屬氧化物等為代表的高能量密度負(fù)極材料受到廣泛關(guān)注，也成為鋰電負(fù)極領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高能量密度負(fù)極材料的開發(fā)應(yīng)用將更趨成熟，可以預(yù)見，高性能鋰離子電池時(shí)代已經(jīng)離我們越來越近。