题目：离锂子电池负极材料前言随着科技的日新月异大多数的个人可.DOCVIP

題目：離鋰子電池負極材料 前言 隨著科技的日新月異，大多數的個人可攜式電子產品，如：筆記型電腦、行動電話、PDA、隨身聽、數位相機等產品的使用非常普及，但是為了滿足消費者使的便利性，設計上不斷提升往體積小、重量輕、ㄧ機多用、待機時間長等目標努力。所以，對於電源提供的需求也更重視，相對的二次電池的發展就更為重要，目前對於電池產品發展朝向五個方向進行：(1)延長電池的使用壽命；(2)電池能量密的增加；(3)電池體積微小化；(4)縮短充電時間；(5)加強電池的安全性。因此對於可充電式的電池發展與需求將更為迫切，而二次電池也將逐漸取代傳統的池。二次電池是目前可攜式電子產品的主要的供應電力來源。近年來，二次電池的發展非常迅速，其中小型的二次電池包含了鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰離子電池，但是由於鎘有污染問題，因此鎳鎘電池已漸漸被取代，而鎳氫電池雖無污染環保的問題，但是在高溫時其性能較差，能量密度低，且有些許的記憶效應等缺點，所以在各式的電子產品應用上，也已經逐漸被鋰離子電池所取代了。鎳鎘(Ni-Cd)電池、鎳氫(Ni-MH)電池及鋰離子電池性能比較。由於鋰電池具有高能量密度、高操作電壓、適用溫度範圍大、無記憶效應、循環使用壽命長、環保性佳等優點，而且鋰離子電池的能量密度約為鎳鎘電池的兩倍以上，由此可見鋰離子電池的性能較為優異。根據研究，所有材料與鋰的理論比電容量值顯示，其中以矽(Silicon) 擁有的理論電容量為最高，而在Si 和Li 所形成的合金，其理論電容量可高達4200mAh/g(Li4.4Si)，是石墨的數倍之多，所以成為最有可能取代石墨而成為負極材料，但由於目前仍有一些問題未解決。例如充放電時所產生的高體積膨脹變化及低導電密度，都是影響電池充放電循環壽命的原因，也是無法做為商業上的應用的因素。因此將以矽做為鋰離子電池負極材料，來研究是否有方法能改善矽的缺點，使矽成為鋰離子電池最佳負極材料。 本文 鋰離子二次電池的運作原理 鋰離子電池的作原理，主要由正負兩極片與電解質所組成的一種氧化還原的循環系統（圖 2-1）。鋰離子電池的正極材料通常由活性的鋰化合物組成，負極則是分子結構的碳。常見的正極材料主要為LiCoO2，充電時加在電池兩極的電勢，迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層結構的碳中。放電時，鋰離子則從片層 結構的碳中嵌出，重新和正極的化合物結合。由於負極的反應為氧化 反應，Li 氧化而放出電子，而正極的反應為還原反應，電子透過外部的電路傳導到正極而使得Li＋還原成Li，而中間電解液的目的是負責維持兩極的電中性或負責傳遞離子，如此才能讓鋰離子在充放電過程中往返於正負極之間，由鋰離子的移動而產生了電流。 目前主要發展中的負極材料系統以圖2-3 所示，此三種不同結構的負極材料系統，其鋰離子嵌入與嵌出的方式也各有不同，表2-3 則是對於這三種結構做更進ㄧ步的說明。 目前除了石墨材料能夠與鋰進行嵌合反應外，金屬與金屬氧化物也可以作為鋰電池的負極材料，尤其有許多金屬材有更高的電容量，但是由於在鋰嵌入與嵌出的反應過程中，無論是金屬或金屬氧化物皆會造成材料上結構的相變化，使材料的體積的變化非常大，例如Li4.4Si雖然有很高的電容量，但是其體積的變化高達300％，而造成結構的改變，使的再進行鋰嵌入與嵌出的反應時其穩定性與可逆性皆不佳，ㄧ般來說這類材料應用於鋰電池負極材料時，往往有可逆電容量過高，充放電循環壽命不佳和鋰金屬沉積在負極的表面造成安全性不好等問題，這也是目前這些材料無法商業化的主要因素。 目前解決矽材料在鋰嵌入和鋰脫嵌時造成體積的膨脹問題，有幾種不同的研究方法，從許多的研究發現，Si/C 混合物形成的複合材料，且採用高能機械研磨(High-energy mechanical milling，HEMM)的方法，將矽的體積縮小形成微細結構，來改善矽的體積變化，當鋰離子嵌入和脫嵌時會使內部造成的機械應力（Stress）減到最小。而更有效的方法是將活潑(Active)的矽和另ㄧ個不活潑(Inactive)的金屬元素，利用高能機械研磨的方法，合成金屬矽化物；例如，Fe-Si， Co-Si，Ni-Si，Cr-Si，Ca-Si，TiN-Si 和Mg-Si。易延展的矽與不活潑的材料同時存在時，當鋰嵌入期間能夠緩衝(Buffer)矽化合物的體積變化。此外，也有些研究是將石墨碳材為主體，在其表面披覆矽，或是以矽為主體，在其表面披覆一層碳材的方式，碳材披覆是利用混合環氧樹脂(Epoxy resin)、酚醛樹脂(Phenol resin)等含碳物質，再經熱處理使表面披覆上一層非晶質碳材(Amorphous carbon)，來達到穩定電容量和降低體積膨脹的目的。若再將上述研究的材料尺寸設計成奈米結構，可以更能改善體積膨脹的問題，發展出更佳的鋰離子電