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锂电池负极材料的研究进展及展望分析

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庄家庆

摘要：社会现代化、工业化的变革发展，使得我国对能源的需求与日俱增，长此以往，矿能源将会面临着枯竭的风险。锂电池具有良好的安全性、高电压、循环寿命长以及高容量的优势，解决了能源危机的同时，减轻了环境污染的压力。本文主要围绕锂电池负极材料的研究进展进行了分析，并对其展望进行了阐述。

关键词：锂电池;负极材料;研究;展望;分析

引言：

人类在探索金属领域中，最小的原子量即锂元素，锂元素所含金属最轻。其自身具备的电极电位、电化学当量较高。锂元素电化学的比能量，有着较高的密度。将锂元素与材料进行科学、合理地匹配，就得到了高能量的电池。在锂电池被社會化、商品化后，对锂电池负极材料的研究更是得到了突破性的进展。

1.锂电池发展概述

1912年美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易士（Gilbert N. Lewis）提出了锂金属电池的研究。20世纪70年代中，迈克尔？斯坦利？惠廷汉姆（Gilbert N. Lewis）提出并研究锂离子电池，并成功将其实用化。锂电池体积小，具备良好的安全性，且工作电压高、能量密度高，成为我社会不可缺少的储能器之一。信息化时代下，电子化、信息化成为了社会领域发展的必要途径，锂电池的应用范围也逐渐扩大。

根据工作性质可划分为一次电池、二次电池。一次电池即不可循环使用的电池，常见的有碱锰电池、锌锰电池。二次电池实现了多次充电、放电循环使用，商业化应用的铅酸电池、锂电池都属二次电池。其中，锂电池被学术界认为是最理想的化学能源，较比其他二次电池，锂电池具备了能量密度较高、自放电率小等特点的同时，突出了绿色环保优势[1]。

2.锂电池负极材料

2.1碳材料

碳材料可分为3大类，其中涵盖了石墨、无定型碳、碳纳米管。

2.1.1石墨材料

石墨分别涵盖了人造石墨、天然石墨以及中间相碳微球。其石墨负极材料的性能指标如表1所示。

2.1.2 无定型碳材料

无定型分为了硬碳、软碳俩种;

1）软碳：高温条件（>2 500°C）下处理，可以石墨化结构的无定型碳。软碳材料可逆比容量较高，大于300mah/g，有机溶剂相容性良好，提升了锂电池的循环稳定性，适用于大电流密度的锂电池充放电。

2）硬碳：高温条件（>2 500°C）下较难处理形成石墨化结构的碳。通常采用了难石墨化的碳材料前驱体如酚醛树脂，在900-1100°C条件下热处理形成。其制备过程中，碳材料内部结构会出现大量晶格缺陷，在嵌锂中，锂离子嵌入碳原子层的同时，嵌入到了晶格的缺陷，导致了硬碳负极具有较高的比容量，其容量在350-450mAh/g，对锂电池的容量起到了提升作用[2]。

2.1.3碳纳米管

碳纳米管具有一定完整性，且自身具备良好的导电性、导热系数。因其结构特殊，负极脱嵌锂时深度小、行程短且速度快，在大倍率、大电流充放电中，极化作用较小，对锂电池的大倍率高速充电、放电有提高的帮助。碳纳米管直接作为锂电池负极材料中，会存在锂电池不可逆容量高、首次充放电库伦效率低、充放电平台不明显等问题。

2.2合金材料

锂元素可以与许多金属，在室内温度的环境下形成金属之间的化合物，常见的如Ca金属、Mg金属、Sn金属以及AI金属。在通常情况下，锂合金的形成是可逆发应。从理论角度出发，与锂元素形成合金的过渡金属，都可以作为锂电池中的负极材料。但锂元素与金属形成合金的过程中，金属体积会出现较大的变化，导致了锂元素在充放电中，出现了反复脱嵌的问题，降低了材料的机械强度，导致了锂元素的循环性受到影响。因此。锂电池负极材料研究过程中，对活性复合合金体系的研究以及非活性复合合金体系的研究较为关注，符合合金体系中，主要集中在Sn基合金材料、Sb基合金材料，Sn基复合物、Sb基复合物中[3]。

3.展望

结合社会对锂电池的应用来看，锂电池仍然是人类应用最为广泛的主要电池。锂电池在人类应用范围的进一步扩展趋势下，人类对锂电池的材料、锂电池的制备方面等要求都会逐渐提高。鉴于此，锂电池中的负极材料，商品化的石墨炉碳材料存在着可燃性较差的问题。在这种环境下，能够开发出高性能更加良好的非碳负极材料，是锂电池研究的主要方向之一。此外，信息化时代下，锂电池的应用场景逐渐扩大，基于整体趋势出发而论，负极材料未来会逐渐朝向高容量密度、低成本以及长循环方向发展，全球锂电池制作业，也逐渐朝向中国移动、倾斜，我国对锂电池负极材料产能所占比，将会得到进一步提升，品种也会朝向丰富化、多元化方向发展。

参考文献：

[1]陈三仔. 锂电池负极材料的研究进展及展望分析[J]. 科技风， 2020.

[2]黄丽宏，闵忠华，张勤勇. 锂离子电池负极材料的研究现状及研究方向[J]. 西华大学学报：自然科学版， 2013.

[3]殷雪峰，刘贵昌. 锂离子电池炭负极材料研究现状与发展[J]. 炭素技术， 2004， 23（003）：37-41.

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