鋰電池負(fù)極材料，容量，壽命，安全性，是最受關(guān)注的幾個(gè)主要性能要求。

鋰電池的理論容量密度，其上限主要取決于正極材料和負(fù)極材料的理論容量。材料的理論容量怎么得來的呢？

1 材料的理論容量

每摩爾材料分子可以帶來多少量的活性鋰離子，用全部鋰離子的庫倫電量除以材料的摩爾質(zhì)量，就得到單位質(zhì)量承載的庫倫電量值，經(jīng)過單位變換，也就相當(dāng)于是單位質(zhì)量對應(yīng)的安時(shí)數(shù)。

以碳材料為例：鋰離子在石墨中的存在形態(tài)是LiC6 ，6個(gè)C原子可以儲存一個(gè)鋰離子，其摩爾質(zhì)量為6*12=72g，1摩爾LiC6 完全反應(yīng)將轉(zhuǎn)移1摩爾電子的電量。

每摩爾電子電量：

（6.02×10^23）*（1.602176×10^-19 C）/3.6

=9.645009/3.6=2.6792*10^4 mAh

其中：

每摩爾電子的數(shù)量6.02×10^23；

每個(gè)電子的帶電量1.602176×10^-19 C；

1mAh=3.6C；

碳原子量12；

石墨負(fù)極單位質(zhì)量存儲電量：2.6792*10^4/（12*6）=372.1 mAh/g 。

這樣，我們就了解了負(fù)極材質(zhì)的理論容量是怎樣推導(dǎo)出來的。材質(zhì)的理論極限決定了鋰電池的理論極限。在實(shí)際應(yīng)用中還會打折再打折。

那么，就從計(jì)算公式看，電極材料理論容量的決定因素：材料分子質(zhì)量和每個(gè)分子對應(yīng)活性鋰離子數(shù)量。

2 研究和應(yīng)用中的負(fù)極材料

分子結(jié)構(gòu)決定了材質(zhì)電荷容量的理論極限，而材質(zhì)實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)也會對容量產(chǎn)生影響。

當(dāng)前負(fù)極材料的種類大體分為碳材料、硅基及其復(fù)合材料、氮化物負(fù)極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。其中碳材料是主流，并且大部分商業(yè)化的鋰電池產(chǎn)量都是碳材料負(fù)極。

2.1 碳材料

碳材料種類很多，常見的有天然石墨負(fù)極、人造石墨負(fù)極、中間相碳微球（M C M B）、軟炭（如焦炭）負(fù)極、硬炭負(fù)極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等，其中，被廣泛應(yīng)用的天然石墨負(fù)極、人造石墨負(fù)極。

石墨作為負(fù)極為人們廣泛采用，有多個(gè)方面的原因。

首先，其電位低，放電平臺在0.01V至0.2V，使得電池整體容易獲得較高的輸出電壓；其次，石墨的層狀堆垛結(jié)構(gòu)，使得鋰離子在層間可以自由穿梭，阻礙較小。而石墨層間的范德華力，使得石墨在容納鋰離子的時(shí)候，不至于變形崩潰。

最后，C元素在地球上數(shù)量極大，容易直接獲取，人工加工制造也容易實(shí)現(xiàn)。

石墨負(fù)極的缺陷也非常明顯，它容易與電解液反應(yīng)，生成SEI膜。電芯的老化和熱失控，很大程度上來源于SEI膜的老化和穩(wěn)定定的變化。這使得石墨負(fù)極的鋰電池壽命存在著確定的上限。

石墨負(fù)極

2.1.1 天然石墨

天然石墨是自然界中原本就存在的碳單質(zhì)形式，容易直接獲取。其基本的層狀結(jié)構(gòu)是適合鋰離子的嵌入脫出的。但其容易與電解液發(fā)生作用，循環(huán)性差，一般無法直接商用，而是經(jīng)過改性使用。

2.1.2 人造石墨

寶石都認(rèn)為天然的好，然而人造石墨卻具有著天然石墨不具備的性能。人造石墨是人們選取易于石墨化的碳材料經(jīng)過高溫?zé)贫傻?，?nèi)部形成較大的空隙，這給容納鋰離子帶來了優(yōu)勢。人造石墨循環(huán)性好，能夠經(jīng)受較大電流充放電的考驗(yàn)，是當(dāng)前，尤其是動力電池的首選材質(zhì)。

2.1.3 其他石墨材質(zhì)

石墨化中間相炭微球，軟碳，硬碳，都是利用高含碳量的材質(zhì)加工而成的，循環(huán)壽命普遍存在問題，暫時(shí)沒有得到太多的應(yīng)用。

2.1.4 碳材料的新銳——碳納米管和石墨烯

碳納米管

碳納米管，直徑在納米量級，長度在微米量級，一般兩端封閉的一段中空管。具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在工程中，被越來越廣泛的使用。

把碳納米管直接作為負(fù)極使用，其在大倍率放電方面，對鋰電池有所幫助，但可逆容量低，壽命短，暫時(shí)無法直接使用。人們當(dāng)前的研究方向是將碳納米管與其他材質(zhì)復(fù)合使用，以發(fā)揮它導(dǎo)電導(dǎo)熱和嵌鋰迅速的優(yōu)勢。

碳納米管微觀模型

石墨烯

石墨烯被稱作新材料之王，其發(fā)現(xiàn)者也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯被描述為單層碳原子組成的二維材料，高強(qiáng)度，高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。

石墨烯應(yīng)用在電池負(fù)極上，理論上可以提高電池的容量和充放電倍率。充電8分鐘，續(xù)航500公里的新聞，想想都挺美好的。只是石墨烯的批量制備比較困難，并沒有太多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生。