锂离子电池负极材料的探索和改进论文(锂离子电池负极材料的探索和改进)

导语：锂离子电池负极材料的探索和改进

锂离子电池是一种可充电二次电池，主要由正极、负极、电解液、隔膜和集流体等主要5部分组成。

正负极材料主要功能是使锂离子较自由的脱出/嵌入，从而实现充放电功能。

充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液嵌入到对应的负极材料中，同时电子从正极流出经过外电路流向负极；

锂电池放电时，锂离子从负极脱出，经过电解液重新嵌入到正极材料中，同时电子经过外电路从负极流向正极。

锂电池负极材料是什么？

负极材料，是电池在充电过程中，锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。它是决定锂离子电池性能的关键因素之一，把握着动力电池安全性命脉。

较为理想的负极材料最少要具备以下7点条件

1、 化学电位较低，与正极材料形成较大的电势差，从而得到高功率电池；

2、 应具备较高的循环比容量；

3、 在负极材料中Li+应该容易嵌入和脱出，具有较高的库伦效率，以至于在Li+脱嵌过程中可以有较稳定的充放电电压；

4、 有良好的电子电导率和离子电导率；

5、 有良好的稳定性，对电解质有一定的兼容性；

7、 对于材料的来源应该资源丰富，价格低廉，制造工艺简单；安全、绿色无污染。

符合以上各个条件的负极材料目前基本不存在，因此研究能量密度高，安全性能好，价格便宜，材料易得的新型负极材料成为当务之急，这也是现阶段锂电池研究领域的热门课题。

探索和改进

石墨烯/磷酸氢锆(ZrP)复合材料作为锂电池的负极材料，能够克服电池材料导电性差、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、导电性强的特点。

一、石墨烯/ZrP复合材料的储锂机制

1、石墨烯材料的储锂行为

石墨烯具有较好的电子和离子传输通道，有利于加快充放电速率,石墨烯作为负极材料时化学反应式如下：

虽然石墨烯具有较高的Li＋扩散速率，作锂电池负极材料时首次充放电过程有较高的电容量，但是石墨烯经过几次完整充放电循环后电容量就会快速衰减，无法单独用作锂电池负极材料，这是因为首次充放电时，石墨烯材料会与锂电池电解液反应,在电循环过程中会出现与电解质接触面变大而导致片层堆积，产生不可逆性和不稳定的钝化SEI膜，同时制备的石墨烯由于片层结构易团聚堆积，使得其库伦效率较低。

2、石墨烯/ZrP复合材料协同作用

磷酸氢锆与石墨烯复合不仅可以提高电池的导电性、改善其体积膨胀效应，同时也具有良好的储锂能力，能够增加复合材料的比容量。与其他碳材料相比，石墨烯具有比表面积大、机械强度高、导电性好等优点，对SnO 2 、FeSb 2 等材料的研究表明，通过石墨烯的引入能够有效提高其电化学性能。

二、石墨烯/ZrP复合材料的工作原理

采用溶剂热法制备石墨烯/磷酸氢锆复合材料，可使生成石墨烯的原位附着在磷酸氢锆表面获得磷酸氢锆与石墨烯复合材料，经煅烧处理，使石墨烯能够在磷酸氢锆的晶格中形成氧空位，从而增加载流子数目和晶格缺陷，提高导电性。石墨烯的存在使磷酸氢锆纳米颗粒间形成导电网络，有利于提高材料整体的导电性，同时石墨烯作为柔性薄膜包覆在磷酸氢锆表面，能够缓冲其充放电过程中的体积膨胀效应。

三、石墨烯/ZrP复合材料的潜在前景

1、其制备方法具有操作简便易行，可重复性强，成本低，对环境无污染的特点；

2、利用本方法制备的磷酸氢锆与石墨烯复合材料作为锂电池的负极材料，能够克服电池导电性差、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、导电性强的特点；

3、由于石墨烯具有高的导电率和大的比表面积，能够有效提高电池复合材料导电性，同时石墨烯的包覆能够有效改善电池复合材料体积膨胀效应，提高电池复合材料的电化学性能。

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