能量密度大，可達120～260Wh/kg;工作電壓高，3.6～3.7V;自放電率低，年自放電低于10%;無記憶效應，可以隨時充、放電;使用壽命長，超過1 000次，可達2 000次;綠色環(huán)保，不含鎘、鉛、汞等重金屬

 

 

鋰電池負極材料目前處于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)中最關鍵的環(huán)節(jié)。按鋰離子電池成本比例，負極材料占比鋰電池總成本的25%～28%。相對于鋰電池正極材料，負極材料的研究方興未艾。較為理想的負極材料最少要具備以下7點條件：化學電位較低，與正極材料形成較大的電勢差，從而得到高功率電池;應具備較高的循環(huán)比容量;在負極材料中Li+應該容易嵌入和脫出，具有較高的庫倫效率，以至于在Li+脫嵌過程中可以有較穩(wěn)定的充放電電壓;有良好的電子電導率和離子電導率;有良好的穩(wěn)定性，對電解質有一定的兼容性;對于材料的來源應該資源豐富，價格低廉，制造工藝簡單;安全、綠色無污染。

 

 

符合以上各個條件的負極材料目前基本不存在，因此研究能量密度高，安全性能好，價格便宜，材料易得的新型負極材料成為當務之急，這也是現(xiàn)階段鋰電池研究領域的熱門課題?，F(xiàn)階段，鋰離子電池負極材料主要有碳材料、過渡金屬的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料，含鋰的過渡金屬的氮化物以及鈦酸鋰材料。各種材料的比容量和性質又各不相同，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

 

 不同負極材料的密度、容量、體積變化、對鋰電位數(shù)據(jù)

 

探索和改進，技術較為成熟。按照材料的組分，通?？梢詫囯姵刎摌O材料分為2大類：碳材料和非碳質材料。碳材料負極進一步分類為天然石墨負極、人造石墨負極、中間相碳微球(MCMB)、軟炭(如焦炭)負極、硬炭負極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等;其他非碳負極材料主要分為硅基及其復合材料、氮化物負極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。

 

碳材料負極是一個總稱，一般可分為5大類：石墨、硬炭、軟炭、碳納米管和石墨烯。石墨又可分為人造石墨、天然石墨、中間相炭微球。更詳細分類如下圖2顯示，主要石墨負極材料的性能指標對比如表2所示。

石墨為層狀堆垛結構，層間距為 0.335 nm，同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵結合，石墨層間以范德華力結合。在每一層上，碳原子之間都呈六元環(huán)排列方式并向二維方向無限延伸。石墨的這種層狀結構可以使鋰離子很容易的嵌入和脫出，并且在充放電過程中其結構可保持結構穩(wěn)定。石墨負極材料的理論容量為 372 mAh/g，但實際比容量為330～370 mAh/g;石墨具有明顯的低電位充放電平臺(0.01～0.2 V)，大部分嵌鋰容量都在該電壓區(qū)域內產(chǎn)生，充放電平臺對應著石墨層間化合物 LiC6的形成和分解，這有利于給鋰電池提供高而平穩(wěn)的工作電壓。但是石墨負極材料也有一定的缺陷，在充放電過程中它易與電解液反應生成 SEI 膜，使得鋰離子電池首次庫倫效率較低;此外，石墨負極與電解液的相容性較差，容易與電解液中的有機溶劑發(fā)生共嵌入情況，這會導致負極石墨層膨脹剝落，進而使得鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定性降低。針對此類問題，技術工藝上可以用微氧化石墨或者用無定型碳進行表面包覆，從而減少共嵌入現(xiàn)象的發(fā)生。