摘要：

 

伴隨著新能源汽車及儲能等行業(yè)的迅速發(fā)展，應用端對于高能量密度鋰離子電池的需求日益增強。高性能鋰離子電池的開發(fā)離不開高能量密度電池材料。文章對目前研究較多且具有一定代表性的四類高能量密度鋰電負極材料的研究狀況進行綜述，并對負極材料的發(fā)展趨勢作了簡要總結。

 

 

自上世紀90年代鋰離子電池實現(xiàn)商業(yè)化應用以來，經過30多年的發(fā)展，鋰離子電池已經成為相當成熟的電池體系，并被應用于新能源汽車、儲能電力系統(tǒng)及3C消費電子等多個領域。伴隨著市場需求的不斷增長，人們對鋰離子電池在能量密度、功率密度、安全性能等方面提出了更高的要求。

 

在鋰電負極領域，主流的石墨材料在應用上已經接近理論比容量，提升空間有限，這成為制約鋰離子電池發(fā)展的重要因素。鑒于此，開發(fā)更高能量密度的鋰離子電池負極材料成為一種迫切需求。在尋找高能量密度負極材料的過程中，科研人員對多種材料進行了嘗試，這些工作既是對新型負極材料的探索，同時也反映了負極材料的發(fā)展趨勢。

 

目前研究較多的高能量密度負極材料有硅基材料、錫基材料、金屬鋰、過渡金屬氧化物等。

 

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硅基材料

 

硅有著較高的理論比容量，而且儲量豐富，是目前鋰電負極領域較為熱門的高能量密度電極材料。硅的理論比容量可達4200mAh/g，遠高于石墨，被看做是最具商業(yè)化前景的下一代鋰電負極材料。

 

硅基材料的優(yōu)勢非常明顯，除理論比容量高、儲量豐富外，硅的平均放電電壓約為0.4V，既可提供合理的工作電壓，又可避免鋰枝晶的形成。但是硅基材料也存在一定問題：比如充放電過程中體積會發(fā)生巨大變化，容易導致顆粒粉化，電極固有結構坍塌破壞，活性材料和黏結劑、導電劑之間的接觸變差，進而影響與集流體間的接觸，甚至從表面剝落。在充放電過程中，由于硅顆粒不斷地破裂粉化，更多的活性表面暴露出來，反復形成SEI膜，這樣會持續(xù)消耗活性鋰離子，進而導致庫倫效率降低、容量嚴重衰減。硅作為半導體，本征電導率低，導電性差，也導致硅負極循環(huán)穩(wěn)定性較差，阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化應用。

 

針對硅基材料存在的問題，目前主要的優(yōu)化策略有材料納米化、材料復合等。研究者通過材料納米化制備硅納米球、硅納米線、硅納米薄膜等不同維度的硅納米材料，優(yōu)化硅基材料性能。Yao等[5]以SiO2納米球為模板制備了一種相互連通的空心硅納米球，通過改善空心硅納米球的結構，該材料作為電極表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，經過700個循環(huán)周期后，放電比容量仍有1420mAh/g。觀察循環(huán)后的電極材料，并未發(fā)現(xiàn)粉化現(xiàn)象。除了對硅基材料的結構進行調控外，還可以通過材料復合來優(yōu)化硅基材料性能。Wang等[6]在納米硅顆粒表面包覆軟碳層，并與石墨烯溶液混合、過濾、干燥制得硅/軟碳/石墨烯的復合材料。軟碳有效減輕硅顆粒體積效應并促進形成穩(wěn)定SEI膜，負載硅顆粒的石墨烯可以避免循環(huán)過程中硅顆粒由于體積變化互相擠壓碰撞，并提供電子和鋰離子傳輸通道，該材料在200mA/g的電流密度下循環(huán)100次后，可逆比容量保持在2600mAh/g以上。

 

02

 

錫基材料

 

同硅基材料一樣，錫基材料也具有較高的理論比容量，并且錫基材料還具有儲量豐富、價格低、無毒、環(huán)保等優(yōu)勢。不過，錫基材料也存在明顯的問題，例如由于其在脫嵌鋰時發(fā)生相變和合金反應，會產生巨大的體積膨脹效應，進而導致材料粉碎，材料結構受到破壞，容量急劇衰退，循環(huán)性能差。

 

通過材料納米化以及與其他材料復合等方式可以有效改善錫基材料的性能。Ryu等使用高壓熱蒸發(fā)技術制備用于鋰離子電池的納米多孔錫負極材料。使用具有氣流系統(tǒng)的常規(guī)熱蒸發(fā)真空室進行高壓熱蒸發(fā)，以形成具有納米孔結構的錫。所制備的納米多孔錫的孔隙率超過98%。在沒有任何粘合劑或導電添加劑的情況下，該材料在100圈循環(huán)后容量保持率可達63%。Feng等[12]以SnCl4為原料，通過冷凍干燥和煅燒工藝制備了多孔Sn@C復合材料。多孔結構不僅減輕材料的體積效應，而且提升了鋰離子傳輸速率，該材料在1A/g的電流密度下循環(huán)550次后，容量保持1116.3mAh/g，當測試電流密度為5A/g時，比容量為406mAh/g，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

 

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金屬鋰

 

金屬鋰具有極高的理論比容量，與硅的理論比容量接近。20世紀60年代，金屬鋰已被研究應用于鋰電池。雖然起步早，但金屬鋰的應用研究進展緩慢，原因在于金屬鋰在充放電過程中發(fā)生體積變化容易刺破隔膜，形成短路，有著嚴重的安全性問題，而且壽命較短。

 

隨著技術的進步，金屬鋰的研究又開始變得熱鬧起來。研究人員針對金屬鋰存在的鋰枝晶生長及材料粉化問題，提出了不同的策略，包括構筑人工固態(tài)電解質界面膜（SEI膜）、結構設計、電解液修飾等。

 

Wang等通過等離子輔助電子束蒸發(fā)工藝，在金屬鋰表面沉積約250nm厚的LiPON層。LiPON具有低的電子電導率，能夠有效抑制鋰金屬與電解液的副反應，提高金屬鋰的化學穩(wěn)定性，促進鋰均勻的沉積與脫出。該鋰負極在3mA/g的電流密度下循環(huán)900次后仍然十分穩(wěn)定，沒有鋰枝晶生成，用于300Wh/kg的鋰硫電池體系循環(huán)120次后，庫倫效率高達91%。

 

對金屬鋰進行結構設計，能夠大幅提高比表面積，降低鋰負極局部電流密度，從而降低鋰枝晶的生長速率。You等為金屬鋰負極表面設計了一種具有高離子電導率、高彈性及良好化學穩(wěn)定性的生物聚合物薄膜，能夠適應鋰負極循環(huán)過程中的體積變化并促進鋰離子的快速轉移，從而形成無枝晶鋰金屬負極和穩(wěn)定的SEI膜界面，以LiFePO4為正極在全電池體系中循環(huán)500次后，容量保持率為87.1%。

 

電解液成分、濃度及添加劑等對SEI的形成有很大影響，對電解液進行修飾是一種低成本、簡單高效的抑制鋰枝晶生長的方法。Qian等用含4mol/L雙氟磺酰亞胺鋰的二甲基氧基乙烷溶液作為電解液用于金屬鋰負極，與低鋰鹽濃度的電解液相比，產生的鋰枝晶更少，在0.2、4mA/cm2的電流密度下循環(huán)1000次后電極利用率分別為99.1%、98.4%。

 

04

 

過渡金屬氧化物

 

2000年，過渡金屬氧化物首次被提出可以應用于鋰電負極。此后，過渡金屬氧化物受到研究者們的廣泛關注。過渡金屬氧化物具有較高的理論比容量，而且還具有安全性能好、成本低等優(yōu)勢，也被看做是具有前景的鋰電負極候選材料。過渡金屬氧化物作為負極材料時，存在循環(huán)過程中體積變化較大、電子電導率較低的問題，導致其循環(huán)性能和倍率性能較差，使得其商業(yè)化應用受到限制。

 

目前針對過渡金屬氧化物存在的問題，研究者多采用材料納米化、制備多孔材料、材料復合等手段對其進行改性。

 

通過材料納米化或制備多孔材料有利于提升過渡金屬氧化物的儲鋰性能。Li等利用水熱法制備了直徑為10-18nm、壁厚為3-5nm的TiO2（B）中空納米晶體負極材料，外形尺寸小于其他文獻中的TiO2負極材料，并具有較高的放電比容量和良好的循環(huán)性能、倍率性能。以0.2C在1.0～2.5V充放電，首次放電比容量接近360mAh/g，首次庫侖效率為73.0%；循環(huán)100次的放電比容量穩(wěn)定在212.8mAh/g，容量保持率接近80%；以10.0C的高倍率循環(huán)1000次，放電比容量為105mAh/g，容量保持率可達56.3%。Li等[19]通過層狀雙氫氧化物前驅體的拓撲變換，成功制備了介孔超薄Co3O4納米片陣列。該材料具有合適的超薄厚度和豐富的中孔結構，其作為鋰離子電池負極材料顯示出優(yōu)異的電化學性能，在0.1A/g電流密度下具有較高的初始可逆容量，為2020mAh/g，并且80次循環(huán)后可逆容量依然保持在1577mAh/g。該材料容量表現(xiàn)明顯高于已報道的Co3O4理論容量（890mAh/g），容量的明顯提高可歸因于不同的納米結構改變了Li的存儲位置和容量。這種優(yōu)越的鋰儲存性能是由于超薄納米片結構具有較大的比表面積，縮短了鋰離子的傳輸途徑。

 

通過制備復合材料，同樣可以優(yōu)化過渡金屬氧化物的性能，彌補其缺陷。Lee等采用簡單的室溫溶液法制備了MnO2/還原氧化石墨烯（rGO）納米復合材料。與普通MnO2納米材料對比發(fā)現(xiàn)，通過與導電性能良好的還原氧化石墨烯復合，MnO2倍率性能得到顯著提升。其中rGO的加入為MnO2提供了優(yōu)良的電導率，從而緩解材料在大電流下的極化現(xiàn)象，這有利于其在高倍率下得到更大的容量。此外rGO具有良好延展性，與MnO2復合后，能提升材料在充放電過程中體積膨脹的應變容限，有利于預防材料的粉化現(xiàn)象，保持其容量。

 

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結語

 

在新能源汽車、儲能等行業(yè)迅速發(fā)展的背景下，應用端對于高性能鋰離子電池的需求日益增強，開發(fā)高能量密度的負極材料以提升鋰離子電池的整體性能是大勢所趨。以硅基材料、錫基材料、金屬鋰、過渡金屬氧化物等為代表的高能量密度負極材料受到廣泛關注，也成為鋰電負極領域的研究熱點之一。未來隨著技術的不斷進步，高能量密度負極材料的開發(fā)應用將更趨成熟，可以預見，高性能鋰離子電池時代已經離我們越來越近。