Page 146 - 能源动力工程的发展与展望

D 能源动力工程的发展与展望
evelopment and Prospects of Energy and Power Engineering

为采用石墨复合是行业最有前景的发展方向的原因）。非石墨类碳材料，如乙炔
墨、酚醛树脂热裂解碳和碳纳米管（CNTs）等没有明显的电压平台，且平均电
压高（~1V），此类 C 与 Si 的复合材料电压平台较高，甚至没有明显的电压平

台。对全电池而言，负极电压平台高意味着开路电压低，比功率密度降低。目前，
SiOx/C 存在商业化成本高（约为石墨 10 倍的价格）、比容量和循环稳定性不佳
等问题，目前的研究主要集中在采用新工艺降低生产成本和提高循环稳定性方面。
许多非碳类物质，如过渡金属氧化物、硫化物、MXene 和高分子聚合物等都能

很大程度上提高 SiOx 的比容量和循环稳定性，通过结构设计和工艺调整有望使
生产成本降低至大众能接受的水平。

四、新型负极材料

目前商业化负极仅有石墨、Li 4 Ti 5 O 12 和 SiOx/C3 种。石墨的商业化比容量
最高为 ~350mA·h·g–1，Li4Ti5O12 的商品化比容量最高仅 160mA·h·g–1。
传统的嵌入 / 脱嵌型储锂负极（石墨，Li4Ti5O12）的比容量受到嵌入 / 脱嵌
Li+ 量的限制，比容量低，越来越难以满足目前电动车动力电池高体积比容量、

高质量比容量的要求。SiOx/C 属合金化反应储锂负极，虽然商业化容量达到
650mA·h·g–1，但目前生产成本高，且大体积电池安全性差，未见作为电动车
动力电池负极的应用报道。开发应用成本低、比容量高的负极材料刻不容缓。新
型负极材料可分为两大类：转化反应型储锂负极、合金化反应储锂负极。

转化反应类负极主要有过渡金属化合物（MXn，M 为过渡金属，可一种
或多种；X 为 P、S、Se、Te 和 O 等非金属，可一种或多种），理论比容量视
MXn 的种类而定，通常为 700~1000mA·h·g–1。此类材料的理论容量稍高于
当前 SiOx/C 负极的商品化容量，但原料成本远低于 SiOx/C；转化反应过程体

积变化率较低（通常低于 250%），循环稳定性较好。以 Fe 2 O 3 与 Li+ 的转化
反应情况为例来说明转化反应类储锂材料的储锂机制。碳包覆 Fe 2 O 3 （Fe 2 O 3 @
C）及未包覆的 Fe 2 O 3 的储锂性能数据。CV 曲线在 1.5~1.8V 有一宽氧化峰，
0.8~1.0V 有一较尖锐还原峰。还原峰对应锂插入 Fe 2 O 3 晶格生成铁单质与 Li 2 O

的反应（Fe 2 O 3 +6Li → 2Fe+3Li 2 O），氧化峰为 Li 2 O 与 Fe 转化生成 Li 和 Fe 2 O 3
的反应（2Fe+3Li 2 O → Fe 2 O 3 +6Li），总体反应为 Fe 2 O 3 的可逆转化反应。
Fe 2 O 3 的理论容量为 1007mA·h·g–1。氧化还原峰电压相对应，主容量所在

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