鋰離子電池負(fù)極材料

鋰離子動力電池負(fù)極材料應(yīng)具有較高的電導(dǎo)率，能夠容納大量的鋰離子且具有良好的穩(wěn)定性。目前負(fù)極材料大多采用石墨結(jié)構(gòu)的碳素材料，一般由碳素材料、粘合劑、添加劑按一定比例混合涂覆在銅箔上經(jīng)干燥、滾壓而制成;此外還有硅基材料、錫基材料、鈦酸鋰材料等。國內(nèi)鋰離子電池負(fù)極材料的生產(chǎn)廠家主要有深圳市貝瑞特科技有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司、深圳市斯諾實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司、湖南星源科技發(fā)展有限公司、江西正拓新能源科技股份有限公司等。

1.主要的負(fù)極材料

鋰離子電池負(fù)極材料以石墨類材料為主,主要包括人造石墨、天然石墨、軟/硬碳和中間相碳微球、鈦酸鋰;正在研究中的負(fù)極材料有鈦氧化物、錫與碳的復(fù)合物、硅的復(fù)合物，碳納米管、石墨新型材料。

天然石墨的資源豐富、成本低，自身的片層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)鋰離子的可逆脫嵌;人造石墨制備技術(shù)成熟，且制備過程中二次粒子的隨機(jī)排列形成的孔隙結(jié)構(gòu)有利于電解液的滲透和鋰離子的擴(kuò)散，提高電池的充放電能力且循環(huán)性能良好，在目前的負(fù)極生產(chǎn)中占有大比例優(yōu)勢;中間相碳微球?yàn)榍蛐云瑢宇w粒，循環(huán)性能較好，電極密度高，但容量較低、制造成本高;軟碳材料雖然有較高容量值，但其快的衰減速度造成實(shí)際應(yīng)用的障礙;硬碳材料較易制備，循環(huán)壽命較高，已獲得部分實(shí)際應(yīng)用。

鈦酸鋰負(fù)極材料功率特性高、安全性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、可快速充放電、具有良好的循環(huán)性能，高低溫性能優(yōu)異，在鋰離子嵌入或脫出的過程中，材料的體積幾乎不發(fā)生變化，不與電解液發(fā)生反應(yīng)，具有很高的安全性，很有可能成為新一代鋰離子動力電池負(fù)極材料的主要發(fā)展方向;但是成本高、能量密度、電導(dǎo)率低，且工藝技術(shù)不成熟。

碳硅復(fù)合材料可以有效改善硅負(fù)極循環(huán)性能，緩解循環(huán)過程中電極的體積膨脹;氧化釩負(fù)極材料能量效率高，循環(huán)性能優(yōu)異，容量衰減少;過渡金屬氧化物負(fù)極因其高的理論容量而受到日益關(guān)注，但在放電過程中由于生成低密度的氧化鋰會造成電極體積的膨脹，使電池容量發(fā)生衰減。四氧化三鐵(Fe3O4)因其較好的電導(dǎo)率、循環(huán)穩(wěn)定性在過渡金屬氧化物負(fù)極材料中引起廣泛的關(guān)注，材料理論容量高、資源豐富且安全無毒;Li3V2(PO4)3負(fù)極材料具有優(yōu)良的容量穩(wěn)定性及低溫性能。

2.負(fù)極材料的研發(fā)

目前負(fù)極材料主要研究嵌入型、合金化型、轉(zhuǎn)化型;主要研發(fā)材料有硬碳、軟碳、硅碳;提高工藝成熟度、穩(wěn)定性和效率;目前研究較多的負(fù)極材料有納米尺度硅及硅合金(主要是解決硅負(fù)極材料因體積變化大造成的容量衰減速度快的問題)，金屬氧化物(氧化鐵、氧化鈦)替代石墨，通過包覆或控制其材料粒徑、形貌，以提高其導(dǎo)電性，合金研究主要是材料的納米化、多組分復(fù)合，碳納米管、石墨新型負(fù)極材料正在研究中，將為鋰離子電池的發(fā)展帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

3.負(fù)極材料的發(fā)展趨勢

(1)石墨負(fù)極的優(yōu)化

離子摻雜可有效改善材料的功率特性、循環(huán)穩(wěn)定性，包覆處理有效抑制粒子長大，同時提高電子電導(dǎo)率，獲得良好的電化學(xué)性能

(2)材料納米化

碳納米管、石墨烯就是其中的代表，分散態(tài)的球狀納米結(jié)構(gòu)比表面積較高，可以顯著提高材料的比容量、循環(huán)性能、倍率性能。

(3)新型化

為了不斷提升鋰離子動力電池的能量密度，今后負(fù)極材料的重點(diǎn)發(fā)展方向?qū)⑥D(zhuǎn)向新型碳活性物質(zhì)、合金類材料、硅碳復(fù)合材料;提高嵌鋰容量。

三、鋰離子電池電解液材料

電解液在電池的正負(fù)兩級之間輸送離子、傳導(dǎo)電流，是電池獲得高能量、長壽命和安全性的關(guān)鍵因素之一，必須具有良好的穩(wěn)定性。生產(chǎn)廠家主要有張家港國泰華榮化工新材料有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司、天津金牛電源材料有限責(zé)任公司、廣州天賜高新材料股份有限公司、賽維(深圳)電子有限公司。

1.主要電解液材料

鋰離子動力電池電解液參與電池內(nèi)部發(fā)生的所有反應(yīng)，電池系統(tǒng)如果過充、過放、短路、熱沖擊則會使電池溫度升高、電解液燃燒，導(dǎo)致電池起火甚至爆炸，因此，電解液的安全性至關(guān)重要，主要是有機(jī)溶劑溶解鋰鹽的溶液，鋰鹽主要有六氟磷酸鋰(LiPF6)、高氯酸鋰(LiClO4)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、六氟合砷酸鋰(LiAsF6);有機(jī)溶劑通常為碳酸酯類，主要有磷酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯;還有磺酸酯、硼酸酯、環(huán)醚、聚醚以及砜類、腈類和硝基化合物等，為保持電解液的導(dǎo)電性，鋰鹽都易溶于有機(jī)溶劑，有較好的的熱穩(wěn)定性，但也各有其局限性，LiPF6高溫時穩(wěn)定性差，LiBF4常溫時離子電導(dǎo)率低，LiClO4具有強(qiáng)氧化性。

2.電解液材料的研發(fā)

新型鋰鹽的研究主要集中在雙草酸硼酸鋰(LiBOB)、二氟草酸硼酸鋰(LiDFOB)、雙亞胺鋰(LiFSI)。

3.電解液材料發(fā)展趨勢

(1)固態(tài)化

為了防止鋰離子電池電解液發(fā)生漏液、燃燒、爆炸等安全性問題，電解質(zhì)材料正在向固態(tài)化發(fā)展，主要研究的方向有無機(jī)固體電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、固-液復(fù)合電解質(zhì)。

(2)新型溶劑體系

腈類、砜類溶劑與石墨負(fù)極的相容性不如常用的碳酸酯類溶劑，目前研究的主要方向是降低新型溶劑體系的成本、提高與現(xiàn)有負(fù)極材料的相容性。