锡基材料在锂电负极方面的应用
来源： 中国粉体网 发布时间：2022-07-29
中国粉体网讯 主流的石墨负极材料由于理论比容量有限，已经不能满足锂离子电池发展的需要，人们探寻更高能量密度的负极材料。锡基材料因具有高的比容量，嵌脱锂电压适中，自然储量丰富，价格低廉，安全性高以及环保等优点，受到研究者的关注，被视为下一代理想的锂电负极材料之一。
锡基材料的理论比容量很高，纯锡的理论比容量能达到994mah/g，但锡金属在脱嵌锂过程中体积会有变化，会产生超过300%的体积膨胀，这种体积膨胀引起的材料变形会使电池内部产生很大的阻抗，导致电池循环性能变差，比容量衰减过快。目前，锡基材料在锂电负极方面的应用研究已经取得了不少进展，以下将对几种锡基负极材料作简要介绍。
常见的锡基负极材料有金属锡、锡基合金、锡基氧化物以及锡碳复合材料等。
①金属锡材料
金属锡（sn）属于iva族，其可以与锂发生电化学反应形成各种锂锡合金。由于高的理论容量，金属锡作为锂离子电池负极材料受到特别关注。在循环过程中，sn的体积产生巨大变化，严重的影响了循环性能。在目前的研究阶段，金属锡负极材料的体积膨胀问题一直是研究的核心。由于上述问题的存在，将纯sn用作负极材料仍然面临着巨大的挑战。在没有缓冲基质的情况下，将sn粒径减小到纳米级或创建多孔sn结构是减轻体积膨胀效应的有效方法。同时，该方法在增加材料与电解液的接触面积的同时也能够有效的缩短离子传输路径，在材料的制备中被广泛的应用。
②锡基合金材料
锡基合金型材料的研究取得了一定的进展。目前，研究人员已经开发了几种用来合成锡合金型负极材料的方法，例如电镀、电解沉积、化学反应和机械球磨等。通常，锡合金型负极材料由活性相（sn）和惰性相（m）组成。在充放电过程中，sn作为活性位点与li反应，而惰性相（m）可以作为缓冲基质来缓解锡合金化过程中引起的体积变化。实验结果表明，活性相和惰性相同时存在将显著提高材料的循环稳定性。自20世纪90年代以来，有关锂离子电池锡合金基负极材料的研究进入了稳定的发展阶段。构建纳米微结构的合金材料是提高负极材料电化学性能的主要策略。为了获得更好的电化学性能，研究人员合成了更精细且有效的结构。纳米线或类似纳米线的阵列结构作为锂离子电池负极材料时展现出很多优势。
③锡基氧化物材料
自2000年以来，锡基氧化物已经成为锡基负极材料的重要分支并受到广泛关注。二氧化锡（sno2）作为锡基氧化物最典型的代表之一，具有n型宽带隙半导体的相关特征，已经应用于气体传感和生物技术等众多领域。同时，sno2具有储量丰富且绿色环保等优点，被认为是最有前景的锂离子电池负极材料之一。
与sno2相似，其他锡基氧化物也可以作为锂离子电池负极材料。据计算，snso4和sn2p2o7的理论容量分别为799mah/g和834mah/g。高的理论容量使得这些锡基氧化物引发人们的关注。但是锡基氧化物固有的低电导率和充放电过程中大的体积膨胀阻碍了其实际应用。因此，通过构建纳米结构并辅以缓冲基质等方法可以改善锡基氧化物负极材料的电化学性能。自2010年以来，研究人员致力于合成空心纳米结构，制备了多种空心sno2纳米材料作为锂离子电池负极材料，均具有良好电化学性能。
④锡碳复合材料
锡基材料在充放电过程中面临着大的体积膨胀和粉化团聚等问题。与锡基合金和锡基氧化物负极材料相比，锡碳复合材料的起源相对较晚。碳材料在能源领域的广泛应用和纳米技术的飞速发展促使锡碳复合材料进入快速发展阶段。其中，石墨烯、碳纳米管和无定形碳是主要的碳质材料，被广泛用作减轻锡基材料体积变化的碳基质。同时，将纳米结构的锡基材料分布在碳基质上或碳基质中是获得锡碳复合材料的两种主流策略。
锡基材料被看做是有可能取代石墨的理想负极材料，对于其在锂电负极方面的研究也有了很多成果，但是距离真正的商业应用还有很大距离。尤其是锡基材料存在的巨大体积膨胀，结构容易受破坏，容量衰减快以及差的循环性能等问题，都需作进一步研究。未来需要通过优化该类材料在首次库伦效率、可逆比容量、循环稳定性、倍率性能等方面的性能，加快推进其实际应用。
参考来源： 1、冯叶峰.锂离子电池锡基负极材料的制备及其电化学性能研究
2、吴琼.锡基负极材料的制备及锂/钠离子电池的性能研究
3、魏润宏.硅基和锡基负极材料的制备及改性研究
4、候志前.锂离子电池锡基负极材料研究进展 （中国粉体网编辑整理/文正）
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