鋰離子電池具有高能量密度、高電壓、高循環(huán)壽命、無(wú)污染、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為2l世紀(jì)最重要的能源之一。同時(shí)，隨著小型化便攜式電子設(shè)備日益增多，以及大型動(dòng)力汽車的發(fā)展而對(duì)電源的要求日益提高，鋰離子電池已經(jīng)成了眾多電源中最具發(fā)展?jié)摿Φ碾娫矗虼藢⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。目前，商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料一般為石墨或者以石墨作為前軀體的各種碳材料，如碳、石墨、CNTs等。而且已達(dá)到其理論極限容量(372mAh/g，Li6C)，由于碳材料存在較大的容量衰減率和較差的高倍率充放電性能等缺陷，而束縛了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。

自從1997年富士膠卷公司首次報(bào)道了錫基復(fù)合氧化物作為鋰電池負(fù)極材料后，錫基負(fù)極材料曾一度受到廣大研究者的關(guān)注。這是由于Sn能與“形成含鋰量很高的Li22Sn5，金屬間化合物，即平均lmol的Sn能容納4.4mol的Li，其相應(yīng)的理論質(zhì)量比容量為994mAh/g，為石墨理論質(zhì)量比容量的2倍多，是最具發(fā)展前景的金屬材料之一。然而，該類金屬材料在充放電循環(huán)過(guò)程中具有較大的體積膨脹和收縮，逐漸粉化，導(dǎo)致活性材料失效，首次充放電效率低和循環(huán)性能差。

目前，解決上述問(wèn)題的辦法有3種：(1)合成薄層結(jié)構(gòu)，減小粒子尺寸來(lái)緩解部分體積膨脹問(wèn)；(2)與非活性物質(zhì)形成金屬間化合物；(3)與活性材料形成復(fù)合物。

上述方法中，方法(3)是現(xiàn)在研究最有效的解決途徑，Sn與非活性金屬形成金屬間化物Sn，Me，在嵌鋰過(guò)程中形成合金相LiXSn，Me,也可能形成LiXSn與金屬M(fèi)e的混合相，其中Me提供緩沖基質(zhì)，減輕脫嵌鋰過(guò)程中電極內(nèi)部的體積變化，起到維持粒子之間以及電極片與集流體之間的完整性作用。

目前，研究較多的錫基合金電極有Sn—Mn—C體系，Sn—Fe—C體系，Ni—Sn合金，Sn—Cu合金和Sn—Co合金等。文章主要綜述Sn—Co合金負(fù)極材料在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

理論研究

為了研究鋰離子電池電極材料的嵌脫Li+性質(zhì)，國(guó)內(nèi)外研究者大多采用基于密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)的第一性原理(First-principle)計(jì)算方法來(lái)研究Li+嵌入電極材料時(shí)的形成能及相應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。

基于密度泛函理論的第一性原理研究方法目前已被廣泛應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域，并已經(jīng)取得了巨大成功和顯著發(fā)展，在文獻(xiàn)中，Ceder等人提出運(yùn)用第一原理計(jì)算可以為鋰離子電池正極材料的選取提供指導(dǎo)意義。Ouyang等人采用第一原理研究了橄欖石結(jié)構(gòu)的正極材料LiFeP04中的Li+擴(kuò)散機(jī)理。Kganyago等人采用LDA-DFT方法計(jì)算了金屬Li、C和LiC6體系的總能量，并計(jì)算了LiC6的形成能△E=-0.145 eV。

本課題組利用基于密度泛函理論的第一性原理平面波贗勢(shì)法，對(duì)錫鎳合金負(fù)極材料Li嵌入性質(zhì)作了深入研究，計(jì)算了Ni2Sn和LiNi2Sn的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，負(fù)極材料Ni2Sn在脫嵌鋰后，大量的鎳原子將以團(tuán)聚形式游離出來(lái)緩解體積膨脹，同時(shí)部分錫原子和鎳原子形成較強(qiáng)共價(jià)鍵穩(wěn)定基體骨架。相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)規(guī)律基本吻合。

綜上所述，以上方法制備的材料都具有首次不可逆容量大或者循環(huán)性能差等缺陷，嵌脫鋰過(guò)程中體積膨脹等問(wèn)題仍然有待解決。第一性原理計(jì)算方法相比純粹的實(shí)驗(yàn)研究具有較大的優(yōu)勢(shì)，它不需要進(jìn)行大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，就可以預(yù)測(cè)材料的多種物理性質(zhì)和電化學(xué)性能，如結(jié)合能、體積膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性以及比容量等。因此，對(duì)于尋找性能更佳的合金電極材料具有重要的指導(dǎo)作用。同時(shí)，運(yùn)用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究鋰離子電池電極材料，對(duì)可持續(xù)新型負(fù)極材料、推動(dòng)下一代高性能低價(jià)格鋰離子電池具有重要意義。