鋰離子動力電池負極材料應具有較高的電導率，能夠容納大量的鋰離子且具有良好的穩(wěn)定性。目前負極材料大多采用石墨結構的碳素材料，一般由碳素材料、粘合劑、添加劑按一定比例混合涂覆在銅箔上經干燥、滾壓而制成；此外還有硅基材料、錫基材料、鈦酸鋰材料等。國內鋰離子電池負極材料的生產廠家主要有深圳市貝瑞特科技有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司、深圳市斯諾實業(yè)發(fā)展有限公司、湖南星源科技發(fā)展有限公司、江西正拓新能源科技股份有限公司等。

 

1.主要的負極材料

 

鋰離子電池負極材料以石墨類材料為主，主要包括人造石墨、天然石墨、軟/硬碳和中間相碳微球、鈦酸鋰；正在研究中的負極材料有鈦氧化物、錫與碳的復合物、硅的復合物，碳納米管、石墨新型材料。

 

天然石墨的資源豐富、成本低，自身的片層結構可以實現(xiàn)鋰離子的可逆脫嵌；人造石墨制備技術成熟，且制備過程中二次粒子的隨機排列形成的孔隙結構有利于電解液的滲透和鋰離子的擴散，提高電池的充放電能力且循環(huán)性能良好，在目前的負極生產中占有大比例優(yōu)勢；中間相碳微球為球性片層顆粒，循環(huán)性能較好，電極密度高，但容量較低、制造成本高；軟碳材料雖然有較高容量值，但其快的衰減速度造成實際應用的障礙；硬碳材料較易制備，循環(huán)壽命較高，已獲得部分實際應用。

 

鈦酸鋰負極材料功率特性高、安全性、結構穩(wěn)定性好、可快速充放電、具有良好的循環(huán)性能，高低溫性能優(yōu)異，在鋰離子嵌入或脫出的過程中，材料的體積幾乎不發(fā)生變化，不與電解液發(fā)生反應，具有很高的安全性，很有可能成為新一代鋰離子動力電池負極材料的主要發(fā)展方向；但是成本高、能量密度、電導率低，且工藝技術不成熟。

 

碳硅復合材料可以有效改善硅負極循環(huán)性能，緩解循環(huán)過程中電極的體積膨脹；氧化釩負極材料能量效率高，循環(huán)性能優(yōu)異，容量衰減少；過渡金屬氧化物負極因其高的理論容量而受到日益關注，但在放電過程中由于生成低密度的氧化鋰會造成電極體積的膨脹，使電池容量發(fā)生衰減。四氧化三鐵（Fe3O4）因其較好的電導率、循環(huán)穩(wěn)定性在過渡金屬氧化物負極材料中引起廣泛的關注，材料理論容量高、資源豐富且安全無毒；Li3V2(PO4)3負極材料具有優(yōu)良的容量穩(wěn)定性及低溫性能。

 

2.負極材料的研發(fā)

 

目前負極材料主要研究嵌入型、合金化型、轉化型；主要研發(fā)材料有硬碳、軟碳、硅碳；提高工藝成熟度、穩(wěn)定性和效率；目前研究較多的負極材料有納米尺度硅及硅合金（主要是解決硅負極材料因體積變化大造成的容量衰減速度快的問題），金屬氧化物（氧化鐵、氧化鈦）替代石墨，通過包覆或控制其材料粒徑、形貌，以提高其導電性，合金研究主要是材料的納米化、多組分復合，碳納米管、石墨新型負極材料正在研究中，將為鋰離子電池的發(fā)展帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。

 

3.負極材料的發(fā)展趨勢

 

（1）石墨負極的優(yōu)化

 

離子摻雜可有效改善材料的功率特性、循環(huán)穩(wěn)定性，包覆處理有效抑制粒子長大，同時提高電子電導率，獲得良好的電化學性能

 

（2）材料納米化

 

碳納米管、石墨烯就是其中的代表，分散態(tài)的球狀納米結構比表面積較高，可以顯著提高材料的比容量、循環(huán)性能、倍率性能。

 

（3）新型化

 

為了不斷提升鋰離子動力電池的能量密度，今后負極材料的重點發(fā)展方向將轉向新型碳活性物質、合金類材料、硅碳復合材料；提高嵌鋰容量。

 

三、鋰離子電池電解液材料

 

電解液在電池的正負兩級之間輸送離子、傳導電流，是電池獲得高能量、長壽命和安全性的關鍵因素之一，必須具有良好的穩(wěn)定性。生產廠家主要有張家港國泰華榮化工新材料有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司、天津金牛電源材料有限責任公司、廣州天賜高新材料股份有限公司、賽維(深圳)電子有限公司。

 

1.主要電解液材料

 

鋰離子動力電池電解液參與電池內部發(fā)生的所有反應，電池系統(tǒng)如果過充、過放、短路、熱沖擊則會使電池溫度升高、電解液燃燒，導致電池起火甚至爆炸，因此，電解液的安全性至關重要，主要是有機溶劑溶解鋰鹽的溶液，鋰鹽主要有六氟磷酸鋰（LiPF6）、高氯酸鋰（LiClO4）、四氟硼酸鋰（LiBF4）、六氟合砷酸鋰(LiAsF6)；有機溶劑通常為碳酸酯類，主要有磷酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯；還有磺酸酯、硼酸酯、環(huán)醚、聚醚以及砜類、腈類和硝基化合物等，為保持電解液的導電性，鋰鹽都易溶于有機溶劑，有較好的的熱穩(wěn)定性，但也各有其局限性，LiPF6高溫時穩(wěn)定性差，LiBF4常溫時離子電導率低，LiClO4具有強氧化性。

 

2.電解液材料的研發(fā)

 

新型鋰鹽的研究主要集中在雙草酸硼酸鋰（LiBOB）、二氟草酸硼酸鋰（LiDFOB）、雙亞胺鋰（LiFSI）。

 

3.電解液材料發(fā)展趨勢

 

（1）固態(tài)化

 

為了防止鋰離子電池電解液發(fā)生漏液、燃燒、爆炸等安全性問題，電解質材料正在向固態(tài)化發(fā)展，主要研究的方向有無機固體電解質、固態(tài)聚合物電解質、固-液復合電解質。

 

（2）新型溶劑體系

 

腈類、砜類溶劑與石墨負極的相容性不如常用的碳酸酯類溶劑，目前研究的主要方向是降低新型溶劑體系的成本、提高與現(xiàn)有負極材料的相容性。

 

（3）高電壓電解液

 

高電壓電解液的主要研究方向是同步提高正極材料與電解液的電壓水平。

 

四、鋰離子電池隔膜材料

 

隔膜成本約占電池成本的20%，是電池材料的重要組成部分，主要作用是將電池的正、負極隔離，保證電池安全、實現(xiàn)充放電功能，主要要求是絕緣性要好。隔膜作為高分子功能材料，發(fā)展前景廣闊、附加值高、成本低、效益前景可觀。國內隔膜生產企業(yè)主要有星源電子科技(深圳)有限公司、北京泰和中科科技有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、重慶明珠塑料有限公司、河南義騰新能源科技有限公司、南通天豐電子新材料有限公司。

 

1.主要的隔膜材料

 

為了便于氣體擴散，應選擇透氣性好且薄的鋰離子動力電池隔膜材料，一般為聚烯烴類微孔薄膜材料，包括聚乙烯單層膜、聚丙烯單層膜及2種材質的雙層或3層復合膜，薄膜厚度約為10～20μm。隔膜的研究方向主要集中在提高強度、穩(wěn)定性和孔隙率等方面。

 

2.隔膜材料的研發(fā)

 

目前低端隔膜市場產能過剩，但高端隔膜市場與國外產品質量仍有一定差距，存在質量均勻性和穩(wěn)定性問題，市場供不應求，嚴重依賴日本、美國等少數幾個國家的進口。

 

3.隔膜材料的發(fā)展趨勢

 

（1）表面改性處理

 

通過涂覆無機陶瓷涂層或有機涂層對隔膜材料表面改性、增強等技術手段提高隔膜物性指標，如穿刺強度、拉伸強度、熱收縮率、耐高溫、耐高壓等。

 

（2）隔膜材料薄型化

 

要提高鋰離子電池的容量就必須將隔膜向輕薄化方向發(fā)展，掌握薄型隔膜生產技術將在未來的競爭中處于有利位置，但這同時對隔膜材料的生產制備、工藝水平提出了更高的要求，需要不斷進行研發(fā)與突破。

 

五、結語

 

隨著日韓美電池研究及產業(yè)的不斷發(fā)展，我國政府也相繼出臺了一系列政策，推動電池產業(yè)的發(fā)展、近年來發(fā)展迅速的主要的鋰離子動力電池生產商有中航鋰電(洛陽)有限公司、比亞迪股份有限公司、天津力神電池股份有限公司、浙江萬向億能動力電池有限公司、光宇國際集團公司、深圳市比克電池有限公司、深圳市沃特瑪新能源汽車動力電池有限公司、合肥國軒高科動力能源有限公司、中信國安盟固利動力科技有限公司；但在關鍵材料及整體電池生產方面與國際先進水平仍有一定的差距。

 

近年來，為降低對傳統(tǒng)石化能源的依賴、節(jié)能減排減少溫室效應的產生，電動汽車的大規(guī)模推廣和應用成為必然的趨勢，因此，提升動力電池總體性能、降低成本在消費者承受范圍之內成為各電池廠商競爭的主要目標。隨著鋰離子動力電池技術瓶頸的不斷突破，成本的不斷降低，可以預見未來鋰離子動力電池將會成為電池技術發(fā)展的方向，成為越來越多汽車廠家的追求目標