随着煤、石油和天然气等不可再生能源的枯竭及其燃烧造成的环境污染，能源和环境已成为影响当今世界可持续发展的两大问题。为了解决这两个问题，开发新型可再生绿色能源来替代传统化石燃料迫在眉睫。锂离子电池作为新一代储能器件，具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、环境污染小、无记忆效应等优点，是目前最有前途的储能器件之一。[1]电极材料作为锂离子电池的核心部件，决定了锂离子电池的性能，而负极材料在锂离子电池中起着至关重要的作用，因此负极材料的研究成为近年来的热点。
本文来源：粉网微信微信官方账号作者：莫宇
1.锂离子电池的研究方向
随着经济的快速发展，科学技术日新月异，电子产品的普及程度达到了历史最高水平。作为重要的应用领域之一，电动汽车的发展促进了电池性能的提高，也对电池提出了更高的要求，包括能量密度的提高和循环寿命的延长。目前，阳极材料的研究主要集中在新型碳材料、硅基材料、锡基材料及其氧化物阳极材料。
2.新型碳材料
与传统的碳材料相比，石墨被广泛用作锂离子电池的负极材料，但其理论容量较低，不能满足锂离子电池的发展需求。碳纳米管和石墨烯等新型碳材料因其特殊的一维和二维柔性结构、优异的导热和导电性能，在锂离子电池中具有巨大的应用潜力。
2.1碳纳米材料
碳纳米材料主要包括碳纳米管和纳米掺杂的碳材料。
碳纳米管自1991年被发现以来一直受到广泛关注。它们具有高硬度、强度、韧性和导电性。碳纳米管虽然具有较高的储锂能力，但很难直接用作锂离子电池的负极材料。碳纳米管作为电极材料时，会存在首次效率低、无放电平台、循环性能差、电压滞后等缺陷。碳纳米管的结构与嵌锂机理的关系有待进一步研究，其作为负极材料的应用还有很长的路要走。
用纳米级电极材料掺杂碳材料也能有效提高电池性能。比如纳米状态的硅原子掺杂在碳材料中，硅嵌入锂时形成的理论容量高达h/g[2]
2.2石墨烯
石墨是目前锂离子电池最常用的正极材料。由于石墨堆的层状结构，锂离子只能与sp2杂化的碳六元环相互作用形成LiC6。因此，石墨的理论比容量计算为h/g.对于石墨烯来说，锂离子可以同时储存在片的两侧，因此理论容量可以达到h/g，研究表明锂可能以Li2共价分子的形式嵌入无序的碳材料中，形成LiC2。用这种储锂机理计算出的石墨烯理论比容量为h/g，综上所述，石墨烯的锂离子储存容量远远高于石墨，因此作为锂离子电池负极材料具有很大的发展潜力。[3]
但是石墨烯作为负极也有类似碳纳米管的电压滞后和库仑效率低的缺点，也很难直接作为负极材料使用。因此，目前对石墨烯在正极材料中的研究主要以复合形式进行，基于石墨烯的锂离子电池正极材料可分为以下几类：(1)石墨烯或掺杂杂原子的石墨烯；(2)石墨烯与其他碳材料的复合材料；(3)石墨烯与其他无机物的复合材料。石墨烯具有良好的电化学性能和应用前景，未来研究的重点将是如何降低其制备成本并与其他材料复合。
3.硅基材料
与其他锂电池正极材料相比
硅在锂离子电池中不能单独使用。经过反复研究，可以结合多种元素来增强其性能。最突出的一种是碳材料复合。在充放电过程中，碳材料的体积变化相对较小，但导电性突出。比如石墨就是简单的物质。以前的研究证明，石墨的体积在导电过程中只会增加10%左右，这是大多数简单物质所不具备的优越性能。然而，碳和硅的化学性质是相似的。碳材料的结构和大量的锂离子通道增加了锂离子的嵌入位置，可以大大改善硅在工作过程中体积迅速增大的问题。这也是目前硅基阳极材料使用的主要方式。
3.2硅的纳米化
体积膨胀问题是限制硅材料使用的主要问题。纯硅阳极材料在锂离子电池中工作时体积膨胀率可以达到200%甚至300%以上。硅材料的纳米化处理可以有效改善这个问题。主要研究方向是进行硅的二维纳米化、一维纳米化和零维纳米化。以零维纳米化为例，制备了尺寸以下的纳米硅粉，可以减弱微粒贵重材料绝对体积变化的不利影响，控制硅与活性物质和电解质的直接接触，提高库仑效率。但是这种纳米级硅材料生产成本高，需要激光制备，很难推广。
3.3多元硅基合金
多元硅基合金是将不同的元素与硅结合，以提高其各方面的性能，削弱体积增加的问题，控制电化学烧结。发现二元Si-M负极材料能有效控制体积膨胀，加入少量惰性物质，体积变化可控制在10%左右。然而，负面影响是当活性颗粒在硅-钼体系中循环时，可能发生电化学团聚，导致基体的电化学接触性能下降。基于上述观点，添加过渡金属铁可以改变硅钛镍合金阳极的性能。结果，材料的初始容量降低了6%-12%，但是阳极材料的整体容量保持基本稳定。此外，改进后的阴极材料的库仑效率明显提高[4]。
4.锡基材料及其氧化物
金属锡和锂可以发生合金化反应，形成各种金属间化合物(x=0.4，1.0，2.33，2.5，2.6，3.5，4。
4），是一种很有应用前景的负极材料。4.1锡基材料
单质锡作为锂离子电池的负极材料存在很多难以解决的问题，锡和锂的合金化过程中伴随着严重的体积膨胀，膨胀率高达300%，很容易导致锡碎裂粉化，容量大幅下降，所以单纯的锡循环性能很差。
4.2锡的氧化物
1997年人们发现锡的氧化物可以用作锂离子电池负极材料且具有较高的理论容量。氧化锡材料可以在锂离子电池体系中可逆的脱嵌锂，实现储锂的作用，容量可以达到·h/g，而纳米氧化锡材料容量有望达到1494mA·h/g。但是锡的氧化物作负极材料时也存在很多问题，例如首次嵌锂会产生很大的不可逆容量，在循环充放电时也会产生较大的体积效应。
改进金属锡电化学性能的关键是缓解材料的体积效应。可以调整材料的构成组分，通过引入惰性或非惰性元素形成合金或者金属间化合物或引入其他物质形成符合材料来提高材料的结构稳定性。常被用于锡的合金化的惰性元素包括Cu、Ni、Co等，非惰性元素包括Sb、Ge、Zn等。
为了提高材料的结构稳定性从而改进其电化学性能，制备高比表面积结构的电极成为人们的首选。其中较受关注的结构为零维的纳米颗粒和三维的多孔材料。
锡基材料还常与各类碳材料以及其他材料结合形成复合材料。制备复合材料的目的在于取长补短，既可以利用碳材料缓解锡基材料的体积效应和纳米颗粒的团聚问题，又利于锡基材料表现其高容量的特点，因此，成为重要的研究方向。锡基材料可以与多种碳材料（如无定形碳、石墨碳、碳纳米管、石墨烯等）进行复合，复合方式有掺杂、包覆、嵌入等。[5]
小结
未来锂离子电池的发展方向应该朝着能量密度高、安全性能好、循环寿命长、绿色环保以及低成本的方向发展。现有的大部分锂离子电池都不具有比容量高、充电效率高、循环寿命长的优点，实际容量远达不到理论容量，因此，技术上的革新是十分迫切的，开发新型性能优异的锂离子电池电极材料是研究者们当前需要重点努力的方向。[6]
参考文献：
[1]候志前,龙剑平,舒朝著.锂离子电池锡基负极材料研究进展[J].电子元件与材料,2018,37(01):7-12.
[2]刘浪浪,问娟娟.锂离子电池新型负极材料的研究进展[J].当代化工,2014,43(12):2690-2692.
[3]江宇.石墨烯基材料构筑及其在高性能锂离子电池负极中的应用[D].华南理工大学,2016.
[4]张照旭.锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势的分析[J].科技与创新,2018(04):65-66.
[5]雒琴,赵馨茹,刘桂霞,王进贤,董相廷,于文生.锂离子电池锡基负极材料的研究进展[J].化学通报,2014,77(06):497-501.
[6]王洪飞,谢安清.锂离子电池的负极材料的研究状况及未来发展[J].当代化工研究,2018(02):138-139.
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