[01157033]高容量锂离子电池负极材料

1、课题来源与背景　　目前商用锂离子电池使用石墨及各类经过改性的碳材料作为负极材料，石墨作为负极的理论容量为372mAh·g-1。石墨的不足之处是充放电容量低，高倍率充放电性能差，在电解质中的稳定性较差。Sn基材料由于具有高的理论容量，为990mAh/g，远高于石墨材料。硅可以与锂反应形成高Li/Si比例合金，理论容量达4200mAh/g，这是已知锂合金中容量最高的。Co_3O_4作为负极材料，可逆容量能够达到700mAh/g，循环性能稳定。掺入金属粉末后进行机械球磨，可以大大提高Co_3O_4复合物的初次库仑效率。　　2、研究的目的与意义　　该研究采用不同的制备方法，对金属材料采用电镀方法制备，对非金属粉末材料采用高能球磨方法制备，既能够提高材料的比容量，又能够抑制电极由于体积膨胀引起的粉化脱落现象，因此能够延长电极的循环寿命，进而提高锂离子电池的性能。　　3、主要论点与论据　　锡基负极材料在充放电循环过程中由于体积变化大而导致材料粉化和容量衰减，为了降低电极的不可逆容量，并保持负极结构的稳定，可以采用Sn合金活性颗粒+非活性颗粒骨架作为负极，活性颗粒可以与金属锂形成合金，非活性颗粒骨架可在电极循环过程中保持负极结构的稳定。由于锡是金属材料，可以采用电镀的方法，在铜集流体上形成锡和其他金属的合金镀层来稳定电极结构。　　硅在充放电循环过程中体积变化大，导致材料粉化，容量衰减快。在硅中搀杂金属或非金属材料，可以形成骨架，分散硅粒子，缓冲体积变化引起的应力，稳定电极结构，延长循环寿命。钴氧化物负极材料具有比石墨更高的可逆容量，Co_3O_4掺杂金属粉末球磨后，可以大大提高初次充放电循环的库仑效率。　　4、创建与创新　　由于新材料在电池充放电过程中体积变化大，使电极内部产生应力，导致电极粉化脱落，电池容量衰减快。解决的方法是在负极材料中添加金属和非金属元素，在合适的比例下它们能够减小由于体积膨胀引起的应力，抑制容量衰减，延长电极的循环寿命。　　5、社会经济效益　　由于锂离子电池具有本身体积小、安全性好、重量轻、比能量高、电压高、寿命长、无污染等其它化学电源无法比拟的优点，目前它已成为手机、掌上电脑、笔记本电脑、微型摄相机、数码照相机等便携电子设备的主导电源，同时它促进通讯设备朝着更轻便的方向发展。目前锂离子电池的生产商主要为日本、韩国和中国企业，新的高容量电极材料是各国企业保持领先地位和提高市场竞争力重要研究方向，尤其是负极材料。开发应用新的高容量负极材料将带来良好的经济效益和社会效益。　　6、存在的问题新型负极材料的比容量虽然有较大提高，循环性能也有所改善，但是目前依然不够理想。进一步研究的重点是继续寻找提高新型负极材料电化学性能的更好方法。