Fe2O3纳米环/石墨烯复合材料的制备及其锂电池性能研究(2)
锂离子电池之所以能够取得广泛应用，是由于其具有很多固有的优点。
1.1.2锂离子电池工作原理
锂离子电池是指电池的正极和负极的二次电池体系为两种不同的可逆的插入及脱出锂离子的嵌锂化合物。锂离子二次电池的工作原理如图1所示，锂离子电池反应实质上是锂离子的浓差电池[3]。
在电池充电时，正极嵌锂化合物中锂离子脱嵌，经过电解质溶液嵌入负极化合物的晶格中，此时正极活性物质则处于贫锂状态；当电池放电时，负极化合物中锂离子则脱出，经过电解质溶液插入正极化合物的晶格中，此时正极活性物为富锂状态；为了保持电荷的平衡，应有相同数量的电子在充放电过程中经外电路传递，与锂离子一起在正、负极之间来回迁移，使电池正、负极发生相应的氧化还原反应，保持一定的电位。工作电位则与构成正、负极的可插入化合物的化学性质和锂离子浓度等有关[4-5]。
图1锂离子电池工作原理图
1．3负极材料
1.3.1概况
一般而言，负极材料应该满足以下的条件[12]：
1.低的电势，有利于与正极材料形成大的电势差，提高电池的电压；
2.良好的电子导电性和离子导电性；
3.良好的化学和电化学稳定性；
4.大的比容量和小的不可逆容量；
5.良好的可逆充放电性能；长循环寿命；
目前研究和开发的锂离子电池负极材料主要有碳材料和非碳材料2大类，如图2所示。
1.3.2碳材料
第一个石油焦炭负极的成功应用和上市是锂离子电池得以快速发展的重要原因之一。碳材料的导电性好、嵌锂电位低、循环性能优异、资源丰富、价格低廉，且无毒无污染，直至今日它仍是市场上使用最多的锂离子电池负极材料。碳材料的种类繁多，不同制备方法得到的碳材料结构、形貌和性能差别也较大，用作锂离子电池负极材料的碳材料大致分为石墨化碳和无定形碳2大类。主要有石墨、焦炭、中间相碳微球(MCMB)、碳纤文、碳纳米管(CNT)等。其中石墨根据其来源又分为天然石墨和人造石墨，天然石墨的价格相对较低。
图2锂离子电池负极材料分类
1.3.3石墨化碳
石墨具有完整的层状晶体结构，有利于锂离子嵌入并形成插层化合物LiC6［6］。20世纪90年代中期以来，大多数锂离子电池采用石墨作为负极材料。它的导电性好，比容量可达320mAh/g，首次库伦效率大于90%，插锂电位低且平稳(0.01～0.25Vvs．Li+/Li)，可以为电池提供稳定的工作电压。在首次充电过程中，石墨负极表面容易生成固态电解质膜(SEI膜)，其主要成分是碳酸锂等无机相和碳酸脂等有机相。锂离子可以顺利通过SEI膜，电子却不可以。负极表面形成稳定的SEI膜，有利于阻止充电过程中电解液的进一步还原分解，抑制负极表面锂枝晶的形成，避免因形成锂枝晶而穿透隔膜并造成短路现象;但是，SEI膜的生成也会降低电池的首次可逆比容量及初始库伦效率。目前市场上生产和销售的石墨负极大多使用球形石墨，通常要对其进行表面处理。石墨具有层状结构，材料容易择优取向，涂膜时石墨片通常平行于集流体方向堆积，而锂离子是垂直于集流体方向嵌入石墨负极的;所以，这种择优取向性在一定程度上会影响锂离子的扩散与传导。石墨与有机溶剂的相容性较差，易发生溶剂共嵌入［7］，例如早年使用的碳酸丙烯酯(PC)溶剂分子在充电过程中会进入石墨层间，破坏石墨的层状结构，致使石墨负极结构坍塌，失去嵌锂活性。为了避免类似现象的发生，如今市场上改用碳酸乙烯酯(EC)基电解液，还可以通过氧化［8］、包覆［9］以及引入杂质原子［10］等方法改善石墨的表面结构，以达到实用要求。