提高动力锂离子蓄电池功率密度和能量密度的关键是电池正极材料和 负极材料的性能及其制备工艺。目前，已商业化碳负极材料存在的主要问题是：理论嵌锂容量小（约 为372mA・h/g）,高功率嵌脱锂性能差，SEI膜的形成造成首次不可逆容量 损失并且嵌锂电位低，在嵌、脱锂过程中可能会形成锂枝晶而引起电池短 路等。目前，具有实用价值和高能量密度的新型负极材料的研究主要涉及 锡基材料、硅基材料等。
锡基材料
自从1997年日本富士公司研究人员首次报道了锡基材料作为锂离子蓄 电池负极材料后，锡基负极材料曾一度引起了人们的广泛关注。这是因为 锡（Sn）能与锂（Li）形成含Li量很高的Li22Sri5金属间化合物，理论上1 个Sn原子可以与4.4个Li原子形成合金，其理论嵌锂容量为994mA • h/g, 是碳材料的2.6倍。另外，锡基负极材料还具有堆积密度大（75mol/L）、低温性能优异、价格低廉、无毒副作用、宽广的实用性、加工合成相对容易 等优点，成为有发展前景的金属材料之一。然而，该类金属材料在锂的嵌 入和脱出前后体积变化有3倍左右，经过十几次循环后就会因体积变化而 造成金属锡晶格损坏或粉化、剥落、活性物质内部丧失电接触以及首次不可逆容量较高、循环性能不理想，最终导致容量迅速衰减等问题，因此未 能实现商品化。
为了改善锡基负极材料的电化学性能，非常有必要采取有效的措施来 解决其体积效应所带来的负面影响。解决上述问题的主要办法有以下4种：
①合成纳米化材料，减小绝对体积变化来缓解部分体积膨胀以及降低 Li*的迁移路径，缓解Li嵌入/脱出活性材料所产生的极化；
②与活性物质或非活性物质形成金属间化合物，利用惰性相组分抑制 其体积膨胀和粉化，同时增强活性相的导电性；
③调控锡基负极材料的形貌，使其具有高孔隙率、低密度和较大的比 表面积，使Li，的传输更容易进行，并且可为锡体积膨胀提供空间，减小体 积膨胀带来的负面影响；
④合成复合材料，使材料的物理化学性质发生变化，实现对其尺寸、 形貌、组成与结构等方面的有效调控和剪裁，从而利用各组分间的协同作 用，优势互补，提高其电化学活性和稳定性。研究内容主要涉及金属锡材 料、锡基合金材料、锡基氧化物材料、锡基复合材料等。
硅基材料
高比容量负极材料的开发一直是锂离子蓄电池研究的重要领域。锂与 硅（Si）反应可得到不同的产物，如Li12Si7x Li7Si3＞汀成倉和Li^Sis等,其中 L^Sis合金的理论储锂容量高达4200mA , h/g,大于金属锂的3860mA , h/g, 更是碳负极材料的11.29倍，Si是目前所发现的具有最高储锂量的负极材 料，且Si还是地壳中第二丰富的元素，价格便宜。从化学性质来看，与电解液反应活性低，嵌锂过程中不会引起溶剂分子与Li共嵌入的问题，因此Si非常适用于作锂离子蓄电池的负极材料。然而，Si基负极材料循环性能 目前还很不好，原因是嵌锂过程中，会引起硅体积膨胀1〜3倍；脱锂时又 发生体积收缩，在这个过程中产生的应力造成材料结构的破坏和机械粉化, 导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，电阻增大，进而失去电接触， 致使容量迅速衰减，最后导致电极材料失效，因此在锂离子蓄电池中很难 实际应用。因此，在获得高容量的同时，如何提高硅基负极材料的循环性能，是目前的一个研究重点。解决这一问题的主要办法有：使硅材料纳米 化和多孔化、制备硅合金以及硅复合材料和多相掺杂等。
(1)硅单体材料
硅单体材料的结构分为非晶态/无定形态和晶态两种形式，研究表明， 非晶态硅具有更好的电化学性能。此外，减小硅的粒径可以降低嵌锂过程 中的绝对体积膨胀，减小电极内部应力，改善材料的容量和循环性能。因 此，制备具有纳米级的硅单体材料是近年来研究的热点，硅的纳米化，又细分为零维硅纳米球、一维硅纳米线和二维硅纳米薄膜。目前，人们已采用不同方法得到了各种晶型和尺寸的纳米硅材料，并考察了它们作为锂离 子蓄电池负极的电化学性能。
(2 ) 硅合金材料
普通硅在嵌脱锂过程中，存在较大的体积膨胀和粉化，纳米硅材料容 易团聚形成非活性的致密块体材料，循环性能也不理想，因此人们转向了 对硅合金材料(Si-M)的研究。M可以是金属或惰性物质，如Ni、Ti、Cu、V、 Co、Cr、Fe、Mn、Zr等，在整个充放电过程中不具有嵌脱锂活性，主要起缓解体积变化和改善循环性能的作用。
(3)硅的氧化物材料
硅的氧化物材料主要包括：SiO、SiC>2及其混合物。研究发现，随着 SiO,中含氧量的增加，电池比容量降低，但是循环性能提高。一般认为,硅的氧化物，例如SiO,作为负极的储锂反应是，SiO首次嵌锂过程中原位形成口2。和锂的硅酸盐(Li'SiOQ以及纳米Si,为不可逆反应。生成的 以0和Li4SiO4作为缓冲介质，不但能够有效抑制Si在脱嵌锂过程中带来的 体积变化，还可防止纳米Si的团聚，进而提高电极的循环性能。
总体来讲，硅的氧化物材料相对于硅合金材料和硅复合材料，存在嵌 锂容量小，循环性能差和大电流嵌锂性能更差的缺点，因此这种材料逐渐 淡出了人们的视野。
(4)硅基复合材料
为了解决硅基材料本身导电性较弱，体积膨胀严重等问题，除采用纳 米化、合金化和硅的氧化物来解决该问题外，另一个有效的方法就是制成 硅基-碳复合材料。由于硅和碳原子同属于元素周期表中第四主族，且碳类 负极材料具有良好的导电性，在嵌脱锂过程中体积变化很小，正好弥补了硅基材料的缺点。
研究者采用高能机械球磨法，在制备硅/石墨复合材料以及采用溶胶- 凝胶法和碳热还原法制备了硅/碳纳米管/碳微胶囊，提高了其循环性能。
除上述负极材料外，金属锂和含锂过渡金属氮化物也被用于负极材料研究。
资讯编辑：宫梦如 021-26090085
资讯监督：常柯 021-26093444
资讯投诉：陈杰 021-26093100