当前课程知识点:能源化学工程概论 > 第六章 锂离子电池 > 第三节 锂离子电池的负极材料 > 锂离子电池的负极材料
同学们好
我们今天来学习锂离子电池的第三节
锂离子电池的负极材料
之前我们已经学习锂离子电池的工作原理
我们已经知道
锂离子电池最主要两个组成部分是正极和负极
在上一节课中
我们主要分析了理想正极材料的性能
正极材料的三大空间结构
以及各个空间结构的典型代表
那么本节课
我将和大家一起来学习
锂离子电池负极材料的相关知识
我们已经知道
正极材料是电池的“离子库”
那么负极呢
负极材料在锂离子电池中充当什么样角色
那么今天我们就来全面学习
负极材料是储存锂的主体
是“锂离子容器”
是电池放电时流出电子的一极
负极材料主要影响电池的首次效率
循环性能等
占电池总成本25%到28%左右
负极材料在锂离子电池中起着至关重要的作用
所以寻找高能量
循环稳定性好的负极材料就成为了研究热点
那么作为锂离子嵌入的载体
我们看一看
理想负极材料都应该具备哪些特征呢
第一 锂离子在负极中的嵌入电位尽可能低
接近金属锂的电位
从而使电池的输入电压高
第二在负极中大量的锂能够发生可逆嵌入和脱嵌
以得到高容量
第三 在嵌入和脱嵌过程中
负极结构很少发生变化
以保证电池良好的循环性能
第四 锂离子在负极材料中有较大的扩散系数
便于快速充放电
第五 锂的嵌入和脱嵌电位尽可能的变化小
这样电池的电压不会发生明显的变化
可保证平稳的充电和放电
第六 负极材料在整个电压范围内
具有良好的化学稳定性
保证电池安全性
目前应用的负极材料都有哪些呢
我们先来看一看
首先我们在第一次课中介绍过
金属锂是最初被使用的负极材料
它是负极材料的最佳选择
因为在目前所有负极材料中
它具有最高的比容量
和最低负极电位
但是金属锂负极容易形成枝晶
存在严重的安全隐患
那么目前呢
全球锂电池负极材料仍然以碳基材料为主
新型负极材料如硅基
锡基负极等都在快速增长中
根据现阶段新能源增长趋势
对负极材料的需求
也将呈现一个持续增长的状态
我们就先来了解碳基材料
碳基材料在安全和循环寿命方面
展示出了较好的性能
并且碳材料价廉无毒
是目前商品化锂电池材料的广泛的负极材料
碳材料种类繁多
我们在这里挑选几个来详细介绍
第一 天然石墨
在众多的用作碳负极的材料中
天然石墨具有低的嵌入电位
良好的嵌入和脱嵌性能
其理论比容量为372毫安时每克
是目前主流的负极材料
但是石墨负极材料也有一定的缺陷
在充放电过程中它易与电解液反应
使得锂离子电池首次库伦效率较低
此外石墨负极与电解液的相容性较差
容易与电解液中的有机溶剂
发生共嵌入情况
这会导致负极石墨层膨胀剥落
进而使得锂离子电池循环稳定性降低
第二个软碳
软碳是指在高温下能够石墨化的碳材料
其碳层的有序程度低于石墨
但高于硬碳
软碳材料具有对电解液的适应性较强
耐过充和过放性能良好
容量比比较高且循环性能好的优点
在储能电池和电动汽车领域
具有一定应用
最后介绍的是石墨化中间相炭微球
其微观结构为球形片层颗粒
具有各相同性
经2800摄氏度以上高温
石墨化处理得到的负极材料
炭微球负极具有压实密度高
大电流快速充放电的性能优势
但其制造成本较高
容量偏低
容量在320到350毫安时每克之间
这限制了其使用范围
对于负极材料而言
石墨的实际容量已接近其理论极限
需要开发具有更高能量密度高
兼顾其它指标的新材料
硅负极因具有3590毫安时每克的超高比容量
被认为是下一代锂离子电池的理想负极选择
硅负极材料大幅度提高了锂离子电池的能量密度
这正是便携式电子产品 无人机
新能源汽车和储能电池系统
一系列新技术领域发展的迫切需要
然而
其低的循环寿命严重阻碍了商业化应用
硅负极低的循环寿命
源于其在充放电过程中存在巨大体积膨胀
硅负极的体积膨胀效应导致纳米硅颗粒
与电极极片的机械稳定性变差
活性颗粒之间相互的接触不好
导致了锂电池的寿命和安全性都面临挑战
最新研究热点是硅碳负极
硅碳负极能够将碳材料的良好的循环稳定性能
优异的导电性和硅材料的高容量结合在一起
在硅碳复合体系中
硅颗粒作为活性物质
提供储锂容量
碳既能缓冲充放电时硅碳负极的体积变化
又能改善硅质材料的导电性
还能避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚
因此硅碳负极综合了二者的优点
在锂电池中表现出高比容量长循环寿命
有望代替石墨
成为下一代的锂离子电池的负极材料
图中我们可以看到是不同分布方式的硅碳负极材料
有包覆型
嵌入型和分子接触型和硅碳多元复合材料
多种硅碳复合形式
那么硅碳负极有没有应用呢
我们来看看销售火爆的特斯拉
特斯拉Model 3采用的硅碳负极
在传统石墨负极材料中加入10%的硅
让电池容量增加到550毫安时每克以上
能量密度达300瓦时每千克
那么其他公司也相应推出了硅碳负极
日本松下实现硅碳负极材料18650电池的量产
日本GS推出硅基负极材料的锂电池
应用在三菱汽车上
如此看来
硅负极很快就可以成为锂离子电池
主流的负极材料
下一个我们要介绍的负极材料是锡基材料
锡是锂电负极材料中研究比较早的负极材料之一
也是研究热点
锡基材料其理论容量 994毫安时每克
但嵌锂方式受空间间隙位置的限制
所以嵌锂容量有限
材料的结构和体积没有明显变化
循环性能比硅基材料好
被认为是很有潜力可以替代传统石墨负极材料
但是硅和锡的不可逆性高
循环稳定性差的问题
一些研究者把目光投到了
它们的氧化物和碳基复合材料上
有研究表明
通过制备碳基氧化锡复合的负极材料
可以有效抑制负极氧化锡颗粒的团聚
同时还能缓解嵌锂时
发生的严重体积膨胀效应
提高负极氧化锡在充放电循环过程中的稳定性
因此以氧化锡为基础的复合负极材料
将是锡氧化物未来的发展方向
那么近年来
锂离子电池负极朝着高比容量
长循环性能低成本方向进展
金属基的硅基和锡基材料
在发挥高容量的同时伴随着体积变化
然而实际的电芯体积是不允许发生较大的变化的
所以其在实际应用中容量
发挥受到了较大的限制
解决或改善体积变化效应
将成为金属基材料研发的方向
好本节的内容到此结束
本节课我主要讲授了
锂离子电池多种负极材料的优缺点
也给大家介绍了
各类负极材料的最新研究进展
下节课
我会给大家介绍
锂离子电池其他部件的相关知识
-第一节 课程概述
--课程概述
-第二节 课程基本知识
--课程基本知识
-第一节 煤炭概述
--煤炭概述
-第二节 煤炭直接液化
--煤炭直接液化
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-第四节 煤炭间接液化-合成气制油品
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--天然气基础知识
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--天然气分离与净化
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--天然气化工利用
-第四节 非常规天然气
--非常规天然气
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-第四节 生物油的制取
--生物油的制取
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-第一节 锂离子电池基础
--锂离子电池基础
-第二节 锂离子电池的正极材料
-第三节 锂离子电池的负极材料
-第四节 锂离子电池的其他组成部分
-第一节 燃料电池基础知识
--燃料电池基础知识
-第二节 燃料电池的分类
--燃料电池的分类
-第三节 氢气的制取
--氢气的制取
-第四节 氢气的运输和储存
--氢气的运输和储存
-第一节 超级电容器基础知识
-第二节 超级电容器的分类
--超级电容器的分类
-第三节 超级电容器的组成及特点
-第四节 超级电容器的电极材料
-第一节 二氧化碳与全球变暖
-第二节 二氧化碳减排与捕集技术
-第三节 二氧化碳捕集方法
--二氧化碳捕集方法
-第四节 二氧化碳利用与封存技术