鋰離子電池的組成部分之負極（非常詳細）

2、負極（1）

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2、負極（2）

在負極材料部分，鋰電池的負極材料主要是：

A、石墨系碳（graphite）

a、天然石墨

b、人工石墨

c、類石墨（如MCMB,MesoCarbonMicroBeads）

B、非石墨碳材（如焦碳系，coke）

由于石墨系的重量能量密度較高且材料本身的結(jié)構(gòu)具有較高的規(guī)則性，所以第一次放電的不可逆電容量會較低，另外石墨系負極材料具有平穩(wěn)工作電壓作用，對電子產(chǎn)品的使用和充電器的設計較具優(yōu)勢。而另一種類的焦炭系與碳黑系﹝carbonblack﹞的負極材料在第一次充放電反應的不可逆電容量很高，但是此材料可以在較高的C-rate下作充放電，另外此材料的放電曲線較斜，有利于使用電壓來監(jiān)控電池容量的消耗。

負極（3）

石墨為層狀結(jié)構(gòu)，由碳網(wǎng)平面沿C軸堆積而成，層間距為3.36A。平面碳層由碳原子呈六角形排列并向二維方向延伸，碳層間以弱的范德華力結(jié)合，鋰嵌在碳層之間

石墨的實際比容量為320—340mAh/g。平均嵌鋰電位約為0.1V（VSLi+/Li），第一周充放電效率約為82—84%，循環(huán)性能好，且價格低廉（＜10元/Kg）。

A、石墨類的制備

①中間相碳微球（MesophaseCarbonMicroBeads,MCMB）是用煤焦油瀝青、石油重質(zhì)油等在350—500℃溫度下加熱并經(jīng)分離、洗滌、干燥和分級等過程制得的平均粒徑6-10微米的碳微球，然后于28000C下進行石墨化熱處理制得的碳材料。其外形呈球形，晶體結(jié)構(gòu)同石墨基本一致。

MCMB的實際比容量約為310—330mAh/g，平均嵌鋰電位約為0.15V（VSLi+/Li），第一周充放電效率約為88%—90%，循環(huán)性及大電流性能好，是目前為止最為理想的負極材料，但價格昂貴（約300元/Kg）

負極（4）

A、石墨類的制備

②氣相成長碳纖（Vapor-GrownCarbonFiber,VGCF）

以碳氫化合物經(jīng)化學蒸鍍（CVD）反應，再用不同溫度經(jīng)熱處理而成

負極（5）

B、非石墨類的制備

①可石墨化碳類----軟碳主要為焦碳﹝Coke﹞類，可由瀝青或煤渣而來

2、負極（6）

B、非石墨類的制備

②不可石墨化類----硬碳（最具發(fā)展?jié)摿Γ?br/>
硬碳不易石墨化。是一種與石墨不同的近似非晶結(jié)構(gòu)的碳材料，晶體尺寸較小，通常在幾個納米以下，呈無規(guī)則排列，有細微空隙存在，是利用高分子先驅(qū)物（polymerprecursor），在不同溫度下經(jīng)熱解所形成的無次序碳材而得到。其主要特點：嵌鋰容量高，一般可達600mAh/g以上。問題：

A、第一周充放電效率低，一般不超過60%

B、循環(huán)性能差

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負極（7）-錫基金屬間化合物及復合物、錫基復合氧化物

Sn與Li能可逆地形成組成為Li4.4Sn的合金，七十年代開始就引起了人們的廣泛關(guān)注。由于Sn貯鋰—脫鋰過程體積膨脹超過200%，極易引起電極粉化，導致循環(huán)性能迅速衰減。如何穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，防止電極粉化是一直以來研究的重點。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)將Sn均勻的分布在對鋰惰性的金屬或化合物、復合物中，可較好地緩沖電極的膨脹，抑制電極粉化問題，從而獲得比較好的循環(huán)性能。

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負極（7）-錫基金屬間化合物及復合物、錫基復合氧化物

九十年代中期，富士公司宣布推出采用錫基復合氧化物為負極的鋰離子電池，盡管最終富士公司并沒有實施，但它使錫基復合氧化物材料成為90年代末期負極開發(fā)的焦點。盡管Sn基復合氧化物具備比較高的比容量（450mAh/g以上），但由于第一周不可逆容量太大（第一周充放電效率約為60%），限制了其在實際電池中的應用。

2Li++SnO+2e→Li2O+SnnLi++Sn===LinSn（n≤4.4）

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極（8）-過渡金屬氮化物（Li—M—N，M=Co，Ni，Cu等）

Li2.6Co0.4N為層狀結(jié)構(gòu)，Li2N形成層面鋰嵌入在層間，Co替代部分鋰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。其具有非常高的嵌鋰容量（約900mAh/g），較好的循環(huán)性能，較合理的嵌鋰電位（平均嵌鋰電位0.3V（VS.Li+/Li））

問題：

A、Li2.6Co0.4N活性高，易與水反映，貯存和使用過程中對環(huán)境的要求嚴格

B、為富鋰態(tài)，難與正極匹配

負極（8）-過渡金屬氮化物（Li—M—N，M=Co，Ni，Cu等）

由于Li2.6Co0.4N為富鋰態(tài)，而Sn基復合氮化物第一周效率低，因此將兩者結(jié)合組成復合電極材料正好彌補了兩者的不足。研究表明，復合電極材料具備較好的電性能，第一周充放電效率可達100%。

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負極（9）-金屬氧化物—尖晶石型Li[Li1/3TI5/3]O4

Li4TI5O12+3Li+===Li7TI5O12

循環(huán)性好，充放效率高（不形成SEI膜），安全性好（不存在金屬鋰的沉積）。

問題：嵌鋰—脫鋰電位高（1.5V，VS.Li+/Li），比容量低（約150mAh/g），導致電池比能量下降。

應用：電動汽車？與現(xiàn)有鋰離子電池相比，安全性好；與鎳氫電池相比，比能量高（應可達90—100Wh/Kg）。

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