什么决定锂电池负极材料性能？材料的理论容量怎么得来的呢？

1、什么决定锂电池负极材料性能？材料的理论容量怎么得来的呢？锂电池负极材料，容量，寿命，安全性，是最受关注的几个主要性能要求。锂电池的理论容量密度， 其上限主要取决于正极材料和负极材料的理论容量。 材料的理论容量怎么得来的呢？1 材料的理论容量每摩尔材料分子可以带来多少量的活性锂离子， 用全部锂离子的库伦电量除以材料的摩尔质量， 就得到单位质量承载的库伦电量值， 经过单位变换， 也就相当于是单位质量对应的安时数。以碳材料为例：锂离子在石墨中的存在形态是LiC6 ， 6 个 C 原子可以储存一个锂离子，其摩尔质量为6*12=72g ， 1 摩尔 LiC6 完全反应将转移 1 摩尔电子的电量。每摩尔电

2、子电量：(6.02X103) * (1.602176 X 10人-19 C) /3.6=9.645009/3.6=2.6792*10人4 mAh其中：每摩尔电子的数量6.02 X 10A23 ;每个电子的带电量1.602176 X 10A-19 C;1mAh=3.6C；碳原子量 12 ；石墨负极单位质量存储电量： 2.6792*10A4 / (12*6 ) =372.1 mAh/g 。这样， 我们就了解了负极材质的理论容量是怎样推导出来的。 材质的理论极限决定了锂电池的理论极限。在实际应用中还会打折再打折。那么， 就从计算公式看， 电极材料理论容量的决定因素： 材料分子质量和每个分子对应活性锂

3、离子数量。2研究和应用中的负极材料分子结构决定了材质电荷容量的理论极限，而材质实际的物理结构也会对容量产生影响。当前负极材料的种类大体分为碳材料、硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。其中碳材料是主流，并且大部分商业化的锂电池产量都是碳材料负极。2.1 碳材料碳材料种类很多，常见的有天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球（M C M B）、软炭（如焦炭）负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等，其中，被广泛应用的天然石 墨负极、人造石墨负极。石墨作为负极为人们广泛采用，有多个方面的原因。首先，其电位低，放电平台在0.01V至0.2V,使得电池整体容易获得较高的输出电压

4、；其次,石墨的层状堆垛结构，使得锂离子在层间可以自由穿梭，阻碍较小。而石墨层间的范德华力，使得石墨在容纳锂离子的时候，不至于变形崩溃。最后，C元素在地球上数量极大，容易直接获取，人工加工制造也容易实现。石墨负极的缺陷也非常明显，它容易与电解液反应，生成 SEI膜。电芯的老化和热失控，很 大程度上来源于 SEI膜的老化和稳定定的变化。 这使得石墨负极的锂电池寿命存在着确定的 上限。石墨负极2.1.1 天然石墨 天然石墨是自然界中原本就存在的碳单质形式， 容易直接获取。 其基本的层状结构是适合锂离子的嵌入脱出的。 但其容易与电解液发生作用， 循环性差， 一般无法直接商用， 而是经过改性使用。2.1

5、.2 人造石墨宝石都认为天然的好， 然而人造石墨却具有着天然石墨不具备的性能。 人造石墨是人们选取易于石墨化的碳材料经过高温烧制而成的， 内部形成较大的空隙， 这给容纳锂离子带来了优势。人造石墨循环性好， 能够经受较大电流充放电的考验，是当前，尤其是动力电池的首选材质。2.1.3 其他石墨材质石墨化中间相炭微球，软碳，硬碳， 都是利用高含碳量的材质加工而成的， 循环寿命普遍存在问题，暂时没有得到太多的应用。2.1.4 碳材料的新锐碳纳米管和石墨烯碳纳米管碳纳米管， 直径在纳米量级，长度在微米量级，一般两端封闭的一段中空管。具有优良的导电性和导热性。在工程中，被越来越广泛的使用。把碳纳米管直接作

6、为负极使用，其在大倍率放电方面，对锂电池有所帮助，但可逆容量低，以发寿命短， 暂时无法直接使用。 人们当前的研究方向是将碳纳米管与其他材质复合使用，挥它导电导热和嵌锂迅速的优势。(11也椅中(b准 Is 9.碳纳米管微观模型石墨烯石墨烯被称作新材料之王，其发现者也因此获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯被描述为单层碳原子组成的二维材料，高强度，高导电导热性能。石墨烯应用在电池负极上，理论上可以提高电池的容量和充放电倍率。充电8分钟，续航500公里的新闻，想想都挺美好的。只是石墨烯的批量制备比较困难，并没有太多的实验数据产生。石墨烯2.2 硅负极材料硅负极材料，其3590mAh/g 理论容量，和与碳类似

7、的性质，使得其一直是负极材料研究的重要领域， 被认为是最有可能替代碳材料的方向。 其主要缺陷在于，当锂离子嵌入时， 离子与硅基材的作用力过于显著， 使得材质层间距离明显增大， 充电和放电过程， 硅材料的体积一下膨胀，一下收缩。这造成材质内部很快积聚大量内应力，造成负极难于长期稳定工作。同时，硅材料表面也需要SEI膜的保护，体积的实时改变，使得SEI膜难于长期稳定附着在电极表面，也是硅材料的一个问题。当前对于硅材料的应用， 大多采用与碳材料复合的形式。 碳核，外面包裹一层硅材料， 最外层再裹上一层碳材料。 这样， 希望在能够利用硅的高容量的同时， 用碳吸收部分硅的体积变化。硅碳复合不止前面描述的

8、这一种形式，人们正在想尽一切办法把硅引入负极应用中来。2.3 钛酸锂钛酸锂，被认为是当前最安全的负极材料。它不仅不需要SEI膜的缓冲，也不会造成负极被侵蚀的问题， 而且还能吸收正极副反应产生的氧气。 因为这些特点， 其循环寿命达到 2 万次以上， 并且极大降低热失控风险。 它的唯一缺陷就是容量低， 理论比容量只有175m A h / g ，对于追求续航的使用者来说，确实是一个问题。3 理想的负极材料长什么样讨论一下，好的负极材料需要什么样的性质。首先， 具有低的放电平台， 使得能有多种正极材料与之配合形成放电电压高的二次电池。 这 一个条件将很多材质挡在了门外。其次， 材料具备较多的孔穴结构，能够容纳锂离子，同时材质本身的分子量越小越好。 这既与材质类型有关，也与材质实际物理结构有关。不能一概的说碳材料就没有硅材料容量大。当技术手段发展到足够高的水平， 能够摆布分子原子级别的结构构成， 结构将会比原子类型更重要；再次， 稳定性， 结构的稳定性和化学性质的稳定性。一方面影响电池寿