动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展

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1、动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展2010-11-1014:45:06中国石墨碳素网文/苗艳丽杨红强岳敏天津市贝特瑞新能源材料有限责任公司   随着汽车行业的发展，石油、天然气等不可再生石化燃料的耗竭日益受到关注，空气污染和室温效应也成为全球性的问题。为解决能源问题、实现低碳经济，基于目前能源技术的发展水平，电动汽车技术逐渐成为全球经济发展的重点方向，美国、日本、德国、中国等国家相继限制燃油车使用，大力发展电动车。作为电动汽车的核心部件——动力电池也迎来了大好的发展机遇。动力电池是指应用于电动车的电池，包括锂离子电池、铅

2、酸电池、燃料电池等，其中，锂离子电池因具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性，成为目前各国发展的重点。   国外政府及企业在动力锂离子电池研发上均做出了很大的努力。我国的锂离子电池产业起步虽较晚，但发展速度非常快，同时，政府给予了大力的支持。“十一五”期间，“863”电动汽车重大专项对混合动力（HEV）、外接充电式混合动力（PHEV）用锂离子电池关键材料和电池进行了专门的研究。   与锂离子电池其他部件相比，锂离子电池负极材料的发展较为成熟。在商业应用中，石墨类碳材料技术较为成熟，市场价格也比较稳定，但

3、随着锂离子动力电池对能量密度、功率密度、安全等性能的要求不断提升，硬碳、钛酸锂（Li4Ti5O12）、合金等其他材料也相继成为研究热门。一、动力锂离子电池负极材料简介1.动力锂离子电池负极材料特性   锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜和其他附属材料组成。锂离子电池负极材料要求具备以下的特点：①尽可能低的电极电位；②离子在负极固态结构中有较高的扩散率；③高度的脱嵌可逆性；④良好的电导率及热力学稳定性；⑤安全性能好；⑥与电解质溶剂相容性好；⑦资源丰富、价格低廉；⑧安全、无污染。2.动力锂离子电池负极材料主要类型   早期人们

4、曾用金属锂作为负极材料，但由于存在安全问题没有大规模商业应用。目前，对锂离子电池负极材料的研究较多有：碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、过渡金属氧化物等。本文将主要介绍3类负极材料：碳材料、合金材料（锡（Sn）、硅（Si）等）和钛酸锂。（1）碳材料   碳材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池生产的负极材料，至今仍然为大家关注和研究的重点。碳材料根据其结构特性可分成3类：石墨、易石墨化碳及难石墨化碳（也就是通常所说的软碳和硬碳）。软碳主要有中间相炭微球、石油焦、针状焦、碳纤维等；硬碳主要有树脂碳(如酚醛树脂、环氧树脂、聚

5、糠醇PFA-C等)，有机聚合物热解碳(包括聚乙烯醇基、聚氯乙烯基、聚丙烯腈基等)以及碳黑等。由于软碳与石墨的结晶性比较类似，一般认为它比硬碳更容易插入锂，即更容易充电，安全性也更好些。   石墨类碳材料技术比较成熟，在安全和循环寿命方面性能突出，并且廉价、无毒，是较为常见的负极材料。常规锂离子电池负极材料包括天然石墨、天然石墨改性材料、中间相炭微球和石油焦类人造石墨。天然石墨和天然石墨改性材料价格比较低，但是在充放电效率和使用寿命方面有待进一步提高。中间相炭微球结构特殊，呈球形片层结构且表面光滑，直径在5～40μm之间，该材

6、料独特的形貌使其在比容电量（可达到330mAh/g以上）、安全性、放电效率、循环寿命（循环次数达到2000次以上）等方面具有显著优势，但是成本有待降低。石油焦类的产品在放电效率和循环寿命方面比较突出，但存在着高成本和制备工艺复杂的问题。   近年来，随着研究工作的不断深入，研究者发现通过对石墨和各类碳材料进行表面改性和结构调整，或使石墨部分无序化，或在各类碳材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构，有利于锂在其中的嵌入－脱嵌。目前，硬碳材料由于存在首效低、压实密度低、工艺不成熟等问题，因此，还没有进入大规模商品化阶段，国内相关领

7、域仍处于试验阶段，相关文献报道很少。国内高校及研究院研究者中最为有名的是陈立泉院士课题组，他们开发的球型硬碳，比容量可达400mAh/g，首效达到80%。国内有关硬碳的研究均未看到相关产业化的报道，在国外，实现产业化销售的企业也不多，较为有名的为日本吴羽化学，但是该公司公布的硬碳容量低于300mAh/g，远不能满足现在动力汽车的要求。   动力市场要求锂离子电池具有高倍率放电性能、高安全性能、高效率、高循环寿命。同时，针对电动汽车的产业化前景，待开发的材料应该具有低成本的特点，笔者认为，应用于动力电池最具现实意义的负极材料，

8、是碳材料中的炭微球复合材料和天然石墨改性材料。（2）合金   为了解决负极材料容量低这一问题，人们把目标转向高容量的金属或金属化合物，如硅（理论比容量4200mAh/g）、锡（理论比容量990mAh/g）、锑（Sb）（理论比容量536mAh/g）等。尽管以金属间化合物或复合物取代纯金属，显