【儀表網 儀表研發】在加速能源使用形式由化石能源向清潔能源轉變的戰略背景下，鋰離子電池(LIB)憑借其高能量密度、高功率、長循環壽命、較高的工作電壓、放電平穩、寬工作溫度范圍、無記憶效應和安全性能較好等綜合優勢，在實現環保而高效的能量存儲及轉化方式方面顯得尤為重要。作為鋰離子電池的重要組成部分，負極自身的性能直接影響著整個電池體系的性能。
鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示)。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程)，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。
近年來，中國科學院山西煤炭化學研究所研究員宋燕及其帶領的科研團隊，通過對碳基及硅基負極材料進行結構設計，有效構筑了一系列電極材料，實現了材料比容量、循環穩定性和倍率性能的顯著提升。基于商業負極材料石墨在結構以及容量方面的局限性，團隊進行了多方嘗試。以天然石墨鱗片以及瀝青焦炭為原料，通過熱壓燒結的方式制備了石墨碳與多孔納米碳共存的鎳摻雜中空納米碳負極材料。隨后，團隊以瀝青為原料通過加壓縮聚的方式制備了類石墨片層碳，此材料作為負極材料時不僅具備石墨的強穩定性，其容量值也得到了提升。針對硅基負極材料循環穩定性差的特性，團隊利用靜電作用在硅納米顆粒表面吸附陽離子表面活性劑來實現核殼雙層保護，減弱并限制硅膨脹時應力對材料結構造成的破壞。為進一步調控硅基雙包覆結構的性能，采用硬模板法引入空腔來緩和硅的體積變化，實現提高容量以及循環穩定性雙層目標。
石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體。在晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價鍵，每個碳原子與另外三個碳原子相聯，六個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環，伸展形成片層結構。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們互相重疊，形成離域的π鍵電子在晶格中能自由移動，可以被激發，所以石墨有金屬光澤，能導電、傳熱。由于層與層間距離大，結合力(范德華力)小，各層可以滑動，所以石墨的密度比金剛石小，質軟并有滑膩感。
鑒于石墨材料高穩定性以及硅高比容量的特性，制備了膨脹石墨與硅的復合電極，硅納米顆粒與石墨片層之間形成典型的三明治結構，改善了材料的電子傳導特性，其表現出較為良好的性能(Carbon,2014,72:38-46)。在此基礎上，對膨脹石墨酸化并加入硅烷偶聯劑，實現硅納米顆粒在石墨片層之間的均勻分散，制備的復合電極片在0.4 A/g電流密度下循環450次后依然有接近800 mAh/g的比容量。
資料來源：百科、山西煤炭化學研究所
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