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(lái)的呢？

1 材料的理論容量

每摩爾材料分子可以帶來(lái)多少量的活性鋰離子，用全部鋰離子的庫(kù)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(kù)倫電量值，經(jīng)過(guò)單位變換，也就相當(dāng)于是單位質(zhì)量對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(lái)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(huì)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(duì)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(huì)對(duì)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(jiàn)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(tái)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(lái)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(wú)法直接商用，而是經(jīng)過(guò)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(guò)高溫?zé)贫傻?，?nèi)部形成較大的空隙，這給容納鋰離子帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)。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(dòng)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(wèn)題，暫時(shí)沒(méi)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(jí)，長(zhǎng)度在微米量級(jí)，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(lái)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(duì)鋰電池有所幫助，但可逆容量低，壽命短，暫時(shí)無(wú)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(shì)。

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(méi)有太多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

石墨烯

2.2 硅負(fù)極材料

硅負(fù)極材料，其3590mAh/g理論容量，和與碳類似的性質(zhì)，使得其一直是負(fù)極材料研究的重要領(lǐng)域，被認(rèn)為是最有可能替代碳材料的方向。其主要缺陷在于，當(dāng)鋰離子嵌入時(shí)，離子與硅基材的作用力過(guò)于顯著，使得材質(zhì)層間距離明顯增大，充電和放電過(guò)程，硅材料的體積一下膨脹，一下收縮。這造成材質(zhì)內(nèi)部很快積聚大量?jī)?nèi)應(yīng)力，造成負(fù)極難于長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。同時(shí)，硅材料表面也需要SEI膜的保護(hù)，體積的實(shí)時(shí)改變，使得SEI膜難于長(zhǎng)期穩(wěn)定附著在電極表面，也是硅材料的一個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)前對(duì)于硅材料的應(yīng)用，大多采用與碳材料復(fù)合的形式。碳核，外面包裹一層硅材料，最外層再裹上一層碳材料。這樣，希望在能夠利用硅的高容量的同時(shí)，用碳吸收部分硅的體積變化。硅碳復(fù)合不止前面描述的這一種形式，人們正在想盡一切辦法把硅引入負(fù)極應(yīng)用中來(lái)。

2.3 鈦酸鋰

鈦酸鋰，被認(rèn)為是當(dāng)前最安全的負(fù)極材料。它不僅不需要SEI膜的緩沖，也不會(huì)造成負(fù)極被侵蝕的問(wèn)題，而且還能吸收正極副反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，其循環(huán)壽命達(dá)到2萬(wàn)次以上，并且極大降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。它的唯一缺陷就是容量低，理論比容量只有175m A h / g，對(duì)于追求續(xù)航的使用者來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題。

3理想的負(fù)極材料長(zhǎng)什么樣

討論一下，好的負(fù)極材料需要什么樣的性質(zhì)。

首先，具有低的放電平臺(tái)，使得能有多種正極材料與之配合形成放電電壓高的二次電池。這一個(gè)條件將很多材質(zhì)擋在了門外。

其次，材料具備較多的孔穴結(jié)構(gòu)，能夠容納鋰離子，同時(shí)材質(zhì)本身的分子量越小越好。這既與材質(zhì)類型有關(guān)，也與材質(zhì)實(shí)際物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。不能一概的說(shuō)碳材料就沒(méi)有硅材料容量大。當(dāng)技術(shù)手段發(fā)展到足夠高的水平，能夠擺布分子原子級(jí)別的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)將會(huì)比原子類型更重要；

再次，穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性。一方面影響電池壽命，另一方面決定了電池的安全性。動(dòng)力電池的安全性是重中之重，這個(gè)要求使得很多材質(zhì)臨時(shí)性能再好也不能得到重視。

最后，材料容易獲得，換句話說(shuō)，應(yīng)該便宜。當(dāng)然，很多新產(chǎn)品，最初都是昂貴的，但隨著量的上升，生產(chǎn)成本也隨之下降。我們當(dāng)前的石墨負(fù)極鋰電池就是最好的例子。