鋰電池負極材料的研究進展及展望分析

莊家慶

摘 要：社會現代化、工業化的變革發展，使得我國對能源的需求與日俱增，長此以往，礦能源將會面臨著枯竭的風險。鋰電池具有良好的安全性、高電壓、循環壽命長以及高容量的優勢，解決了能源危機的同時，減輕了環境污染的壓力。本文主要圍繞鋰電池負極材料的研究進展進行了分析，并對其展望進行了闡述。

關鍵詞：鋰電池;負極材料;研究;展望;分析

引言：

人類在探索金屬領域中，最小的原子量即鋰元素，鋰元素所含金屬最輕。其自身具備的電極電位、電化學當量較高。鋰元素電化學的比能量，有著較高的密度。將鋰元素與材料進行科學、合理地匹配，就得到了高能量的電池。在鋰電池被社會化、商品化后，對鋰電池負極材料的研究更是得到了突破性的進展。

1.鋰電池發展概述

1912年美國化學家吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）提出了鋰金屬電池的研究。20世紀70年代中，邁克爾？斯坦利？惠廷漢姆（Gilbert N. Lewis）提出并研究鋰離子電池，并成功將其實用化。鋰電池體積小，具備良好的安全性，且工作電壓高、能量密度高，成為我社會不可缺少的儲能器之一。信息化時代下，電子化、信息化成為了社會領域發展的必要途徑，鋰電池的應用范圍也逐漸擴大。

根據工作性質可劃分為一次電池、二次電池。一次電池即不可循環使用的電池，常見的有堿錳電池、鋅錳電池。二次電池實現了多次充電、放電循環使用，商業化應用的鉛酸電池、鋰電池都屬二次電池。其中，鋰電池被學術界認為是最理想的化學能源，較比其他二次電池，鋰電池具備了能量密度較高、自放電率小等特點的同時，突出了綠色環保優勢[1]。

2.鋰電池負極材料

2.1碳材料

碳材料可分為3大類，其中涵蓋了石墨、無定型碳、碳納米管。

2.1.1石墨材料

石墨分別涵蓋了人造石墨、天然石墨以及中間相碳微球。其石墨負極材料的性能指標如表1所示。

2.1.2 無定型碳材料

無定型分為了硬碳、軟碳倆種;

1）軟碳：高溫條件（>2 500°C）下處理，可以石墨化結構的無定型碳。軟碳材料可逆比容量較高，大于300mah/g，有機溶劑相容性良好，提升了鋰電池的循環穩定性，適用于大電流密度的鋰電池充放電。

2）硬碳：高溫條件（>2 500°C）下較難處理形成石墨化結構的碳。通常采用了難石墨化的碳材料前驅體如酚醛樹脂，在900-1100°C條件下熱處理形成。其制備過程中，碳材料內部結構會出現大量晶格缺陷，在嵌鋰中，鋰離子嵌入碳原子層的同時，嵌入到了晶格的缺陷，導致了硬碳負極具有較高的比容量，其容量在350-450mAh/g，對鋰電池的容量起到了提升作用[2]。

2.1.3碳納米管

碳納米管具有一定完整性，且自身具備良好的導電性、導熱系數。因其結構特殊，負極脫嵌鋰時深度小、行程短且速度快，在大倍率、大電流充放電中，極化作用較小，對鋰電池的大倍率高速充電、放電有提高的幫助。碳納米管直接作為鋰電池負極材料中，會存在鋰電池不可逆容量高、首次充放電庫倫效率低、充放電平臺不明顯等問題。

2.2合金材料

鋰元素可以與許多金屬，在室內溫度的環境下形成金屬之間的化合物，常見的如Ca金屬、Mg金屬、Sn金屬以及AI金屬。在通常情況下，鋰合金的形成是可逆發應。從理論角度出發，與鋰元素形成合金的過渡金屬，都可以作為鋰電池中的負極材料。但鋰元素與金屬形成合金的過程中，金屬體積會出現較大的變化，導致了鋰元素在充放電中，出現了反復脫嵌的問題，降低了材料的機械強度，導致了鋰元素的循環性受到影響。因此。鋰電池負極材料研究過程中，對活性復合合金體系的研究以及非活性復合合金體系的研究較為關注，符合合金體系中，主要集中在Sn基合金材料、Sb基合金材料，Sn基復合物、Sb基復合物中[3]。

3.展望

結合社會對鋰電池的應用來看，鋰電池仍然是人類應用最為廣泛的主要電池。鋰電池在人類應用范圍的進一步擴展趨勢下，人類對鋰電池的材料、鋰電池的制備方面等要求都會逐漸提高。鑒于此，鋰電池中的負極材料，商品化的石墨爐碳材料存在著可燃性較差的問題。在這種環境下，能夠開發出高性能更加良好的非碳負極材料，是鋰電池研究的主要方向之一。此外，信息化時代下，鋰電池的應用場景逐漸擴大，基于整體趨勢出發而論，負極材料未來會逐漸朝向高容量密度、低成本以及長循環方向發展，全球鋰電池制作業，也逐漸朝向中國移動、傾斜，我國對鋰電池負極材料產能所占比，將會得到進一步提升，品種也會朝向豐富化、多元化方向發展。

參考文獻：

[1]陳三仔. 鋰電池負極材料的研究進展及展望分析[J]. 科技風， 2020.

[2]黃麗宏， 閔忠華， 張勤勇. 鋰離子電池負極材料的研究現狀及研究方向[J]. 西華大學學報：自然科學版， 2013.

[3]殷雪峰， 劉貴昌. 鋰離子電池炭負極材料研究現狀與發展[J]. 炭素技術， 2004， 23（003）：37-41.