中國粉體網(wǎng)訊 主流的石墨負極材料由于理論比容量有限，已經(jīng)不能滿足鋰離子電池發(fā)展的需要，人們探尋更高能量密度的負極材料。錫基材料因具有高的比容量，嵌脫鋰電壓適中，自然儲量豐富，價格低廉，安全性高以及環(huán)保等優(yōu)點，受到研究者的關(guān)注，被視為下一代理想的鋰電負極材料之一。
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錫基材料的理論比容量很高，純錫的理論比容量能達到994mAh/g，但錫金屬在脫嵌鋰過程中體積會有變化，會產(chǎn)生超過300%的體積膨脹，這種體積膨脹引起的材料變形會使電池內(nèi)部產(chǎn)生很大的阻抗，導(dǎo)致電池循環(huán)性能變差，比容量衰減過快。目前，錫基材料在鋰電負極方面的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了不少進展，以下將對幾種錫基負極材料作簡要介紹。
常見的錫基負極材料有金屬錫、錫基合金、錫基氧化物以及錫碳復(fù)合材料等。
①金屬錫材料
金屬錫（Sn）屬于IVA族，其可以與鋰發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成各種鋰錫合金。由于高的理論容量，金屬錫作為鋰離子電池負極材料受到特別關(guān)注。在循環(huán)過程中，Sn的體積產(chǎn)生巨大變化，嚴重的影響了循環(huán)性能。在目前的研究階段，金屬錫負極材料的體積膨脹問題一直是研究的核心。由于上述問題的存在，將純Sn用作負極材料仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在沒有緩沖基質(zhì)的情況下，將Sn粒徑減小到納米級或創(chuàng)建多孔Sn結(jié)構(gòu)是減輕體積膨脹效應(yīng)的有效方法。同時，該方法在增加材料與電解液的接觸面積的同時也能夠有效的縮短離子傳輸路徑，在材料的制備中被廣泛的應(yīng)用。
②錫基合金材料
錫基合金型材料的研究取得了一定的進展。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)了幾種用來合成錫合金型負極材料的方法，例如電鍍、電解沉積、化學(xué)反應(yīng)和機械球磨等。通常，錫合金型負極材料由活性相（Sn）和惰性相（M）組成。在充放電過程中，Sn作為活性位點與Li反應(yīng)，而惰性相（M）可以作為緩沖基質(zhì)來緩解錫合金化過程中引起的體積變化。實驗結(jié)果表明，活性相和惰性相同時存在將顯著提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。自20世紀(jì)90年代以來，有關(guān)鋰離子電池錫合金基負極材料的研究進入了穩(wěn)定的發(fā)展階段。構(gòu)建納米微結(jié)構(gòu)的合金材料是提高負極材料電化學(xué)性能的主要策略。為了獲得更好的電化學(xué)性能，研究人員合成了更精細且有效的結(jié)構(gòu)。納米線或類似納米線的陣列結(jié)構(gòu)作為鋰離子電池負極材料時展現(xiàn)出很多優(yōu)勢。
③錫基氧化物材料
自2000年以來，錫基氧化物已經(jīng)成為錫基負極材料的重要分支并受到廣泛關(guān)注。二氧化錫（SnO2）作為錫基氧化物最典型的代表之一，具有n型寬帶隙半導(dǎo)體的相關(guān)特征，已經(jīng)應(yīng)用于氣體傳感和生物技術(shù)等眾多領(lǐng)域。同時，SnO2具有儲量豐富且綠色環(huán)保等優(yōu)點，被認為是最有前景的鋰離子電池負極材料之一。
與SnO2相似，其他錫基氧化物也可以作為鋰離子電池負極材料。據(jù)計算，SnSO4和Sn2P2O7的理論容量分別為799mAh/g和834mAh/g。高的理論容量使得這些錫基氧化物引發(fā)人們的關(guān)注。但是錫基氧化物固有的低電導(dǎo)率和充放電過程中大的體積膨脹阻礙了其實際應(yīng)用。因此，通過構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)并輔以緩沖基質(zhì)等方法可以改善錫基氧化物負極材料的電化學(xué)性能。自2010年以來，研究人員致力于合成空心納米結(jié)構(gòu)，制備了多種空心SnO2納米材料作為鋰離子電池負極材料，均具有良好電化學(xué)性能。
④錫碳復(fù)合材料
錫基材料在充放電過程中面臨著大的體積膨脹和粉化團聚等問題。與錫基合金和錫基氧化物負極材料相比，錫碳復(fù)合材料的起源相對較晚。碳材料在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和納米技術(shù)的飛速發(fā)展促使錫碳復(fù)合材料進入快速發(fā)展階段。其中，石墨烯、碳納米管和無定形碳是主要的碳質(zhì)材料，被廣泛用作減輕錫基材料體積變化的碳基質(zhì)。同時，將納米結(jié)構(gòu)的錫基材料分布在碳基質(zhì)上或碳基質(zhì)中是獲得錫碳復(fù)合材料的兩種主流策略。
錫基材料被看做是有可能取代石墨的理想負極材料，對于其在鋰電負極方面的研究也有了很多成果，但是距離真正的商業(yè)應(yīng)用還有很大距離。尤其是錫基材料存在的巨大體積膨脹，結(jié)構(gòu)容易受破壞，容量衰減快以及差的循環(huán)性能等問題，都需作進一步研究。未來需要通過優(yōu)化該類材料在首次庫倫效率、可逆比容量、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能等方面的性能，加快推進其實際應(yīng)用。
參考來源：
1、馮葉峰.鋰離子電池錫基負極材料的制備及其電化學(xué)性能研究
2、吳瓊.錫基負極材料的制備及鋰/鈉離子電池的性能研究
3、魏潤宏.硅基和錫基負極材料的制備及改性研究
4、候志前.鋰離子電池錫基負極材料研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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