過渡金屬氧化物鋰離子電池負(fù)極材料的類型以及改性.docx

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1、二○一五年專業(yè)課論文過渡金屬氧化物鋰離子電池負(fù)極材料的類型以及改性研究學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：材料物理與化學(xué)姓名：崔宇學(xué)號：2014231015過渡金屬氧化物鋰離子電池負(fù)極材料的類型以及改性研究崔宇長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安,710049摘要系統(tǒng)的介紹了鋰離子電池負(fù)極材料的類型,原理以及電化學(xué)性能?敘述了對不同的材料的改性辦法?簡要介紹了氧化物材料的納米改性和復(fù)合改性,對以后可能展開的研究方向提出指導(dǎo)?關(guān)鍵詞鋰離子電池負(fù)極;納米改性Typesoftransitionmetaloxidea

2、nodematerialforlithium-ionbatteriesandmodificationAbstractSystemsintroducesthetypeofanodematerialforlithium-ionbatteries,principleandelectrochemicalproperties.Modifiedapproachtothedifferentmaterialsisdescribed.Introducedandmodificationofnano-modification

3、ofoxidematerials,possibleresearchdirectioninthefuture.KeywordsLithiumionbattery;Nanomodified0引言伴隨著互聯(lián)網(wǎng)移動化的進(jìn)程,誕生出越來越多的移動設(shè)備?隨著智能手機(jī)的普及,電池這一性能瓶頸帶來的問題日益突出?因此,研發(fā)出新的具有更強(qiáng)性能的鋰電池成為當(dāng)下的熱點(diǎn)方向?由于手機(jī)對于鋰電池的容量要求極高,而且它具有較高的利潤,因此使用一些金屬元素來代替現(xiàn)有的碳材料成為可能?目前,傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料理論比容量為372mAh/

4、g,已不能滿足新一代高比容量電池負(fù)極材料的需求,為此,開發(fā)新型高比容量鋰離子電池負(fù)極材料顯得迫在眉睫[1-2]?與傳統(tǒng)的石墨負(fù)極相比,過渡金屬氧化物擁有高的理論容量和首次充放電容量?然而由于它們存在首次庫侖效率低?高倍率充放電容量低和循環(huán)穩(wěn)定性較差等缺陷,限制了其廣泛應(yīng)用[3-5]?與正極材料一樣,負(fù)極材料也是影響鋰離子電池性能的重要因素之一,是鋰離子電池發(fā)展的主要研究內(nèi)容?它經(jīng)歷了3個階段的發(fā)展,分別是最初的金屬鋰,鋰合金和目前商業(yè)應(yīng)用的碳材料?一般來說,理想的負(fù)極材料應(yīng)滿足以下要求[6-7]：(1)

5、低的氧化還原電位,近可能接近鋰的電位?負(fù)極材料的氧化還原電位越低,整個電池系統(tǒng)的工作電位就會越高,這樣鋰離子電池將獲得更高的能量;(2)良好的電子傳導(dǎo)率和鋰離子遷移率?良好的導(dǎo)電性和鋰離子遷移率可以保證電池反應(yīng)的快速發(fā)生,從而保證電池系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速充電;(3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,容量高?負(fù)極材料應(yīng)該具有鋰離子容易脫嵌的結(jié)構(gòu),并且在發(fā)生鋰離子脫嵌的過程中,其結(jié)構(gòu)應(yīng)該保持穩(wěn)定,具有穩(wěn)定的循環(huán)性能;(4)與電解液有很好的兼容性,并且不與電解液反應(yīng);(5)制備容易?成本低?環(huán)保?無毒性等?1碳基負(fù)極材料自從索尼公司用碳

6、材料作負(fù)極的商品化鋰離子電池以來,人們對碳負(fù)極進(jìn)行了廣泛研究?目前使用的碳基負(fù)極材料主要包括石墨和無定形碳兩大類?石墨因?qū)щ娦院?結(jié)晶度高?層狀結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的脫嵌,工作電位與金屬鋰相近等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究,同時石墨也是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的碳負(fù)極材料,其理論比容量為372mAh/g,在實(shí)際應(yīng)用中容量可達(dá)330mAh/g左右[8]?無定形碳主要包括硬碳和軟碳兩種,軟碳為經(jīng)2500℃以上高溫處理后能石墨化的無定形碳,其中典型代表為中間相碳微球(MCMB),其石墨化程度低,可逆容量約為為320mAh/g[9];硬

7、碳通常為難以石墨化的碳,即使在2500℃下也難以石墨化,一般具有比較大的比表面積,主要為特殊結(jié)構(gòu)的高分子聚合物的熱解碳,具有單層碳原子的無序排列結(jié)構(gòu),層間距比較大以及在層間中存在著大量的微孔,這就大大的增加儲鋰面積,所以硬碳基本上都具有較高的嵌鋰容量,可達(dá)到500mAh/g以上[10]?然而此類材料都具有密度小和首次庫企效率低等缺點(diǎn)而難以滿足商業(yè)化鋰離子電池的要求,通常被用作其他負(fù)極材料的添加劑以增加電導(dǎo)率?近年來,越來越多的納米級別的新型碳材料被發(fā)現(xiàn),如碳納米管?多孔碳?碳納米纖維和石墨稀等[11-1

8、3],這些材料因具有特殊的納米結(jié)構(gòu),使得它們的比容量比普通碳基材料高?碳納米管因直徑小,比表面積大,從而可以提供很多的鋰離子嵌入活性點(diǎn),從而具有很高的比容量;另外,碳納米管的良好的電子和離子傳導(dǎo)性,使材料具有很好的倍率性能?但是,碳納米管產(chǎn)率很低,不適合廣泛的商業(yè)應(yīng)用,一般被作為碳源與其他負(fù)極材料進(jìn)行復(fù)合以增加電導(dǎo)率?石墨稀這一顆科學(xué)界的“新星”,因具有優(yōu)異的電導(dǎo)率?極高的比表面積(約2630m2/g)?機(jī)械柔朝性好等特點(diǎn)被廣泛研究?由于石