鋰離子電池的組成部分(一)

一、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結構具較高的規則性，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工作電壓作用，對電子產品的使用和充電器的設計較具優勢。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，此材料可以在較高的C-rate下作充放電，放電曲線較斜，有利于使用電壓監控電池容量的消耗。

石墨為層狀結構，由碳網平面沿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%，迴圈性能好，且價格低廉（＜10元/Kg）。

★石墨類的製備:

①中間相碳微球（MesophaseCarbonMicroBeads,MCMB）是用煤焦油瀝青、石油重質油等在350—500℃溫度下加熱并經分離、洗滌、乾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，晶體結構同石墨基本一致。

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%，迴圈性及大電流性能好，是目前為止最為理想的負極材料，但價格昂貴（約300元/Kg）

②氣相成長碳纖（Vapor-GrownCarbonFiber,VGCF）是以碳氫化合物經化學蒸鍍（CVD）反應，再用不同溫度經熱處理而成

★非石墨類的製備:

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不可石墨化類----硬碳（最具發展潛力）。硬碳不易石墨化。是一種與石墨不同的近似非晶結構的碳材料，晶體尺寸較小，通常在幾個納米以下，呈無規則排列，有細微空隙存在，是利用高分子先驅物（polymerprecursor），在不同溫度下經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：

I.第一周充放電效率低，一般不超過60%。

II.迴圈性能差。

C、錫基金屬間化合物及複合物、錫基複合氧化物

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，導致迴圈性能迅速衰減。如何穩定材料結構，防止電極粉化是一直以來研究的重點。

近年來，人們發現將Sn均勻的分佈在對鋰惰性的金屬或化合物、複合物中，可較好地緩沖電極的膨脹，抑制電極粉化問題，從而獲得比較好的迴圈性能。

D、過渡金屬氮化物（Li—M—N，M=Co，Ni，Cu等）

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

問題：

１.Li2.6Co0.4N活性高，易與水反映，貯存和使用過程中對環境的要求嚴格。

２.為富鋰態，難與正極匹配。

E、金屬氧化物—尖晶石型Li[Li1/3TI5/3]O4Li4TI5O12+3Li+===Li7TI5O12

迴圈性好，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）。