锂电池负极材料有哪些类型和特点

来源：存能电气  日期：2019-03-29 09:08  浏览量：次

　　锂电池负极材料有哪些类型和特性？负极材料主要影响锂电池的首次效率、循环性能等，负极材料的性能也直接影响锂电池的性能，负极材料占锂电池总成本5~15%左右。锂电池负极材料一般是有无定形碳材料、石墨化碳材料、硅基材料、氮化物、新型合金等。锂电池的负极材料的种类是多种多样的，但最终能够被选用成为批量生产的锂电池的组成材料的却还是少之又少。

　　锂电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂电池能否成功地制成，关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。

　　负极材料是锂电池储存锂的主体，使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。锂电池充电时，正极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向负极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内负极表面电离成锂离子和电子，并在正极处合成锂原子。

　　锂电池负极材料有哪些类型？

　　第一种是碳负极材料：目前已经实际用于锂电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

　　第二种是锡基负极材料：锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。

　　第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，目前也没有商业化产品。

　　第四种是合金类负极材料：包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金，目前也没有商业化产品。

　　第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。

　　第六种纳米材料是纳米氧化物材料：目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大的提高锂电池的充放电量和充放电次数。

　　负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。从技术角度来看，未来锂电池负极材料将会呈现出多样性的特点。随着技术的进步，目前的锂离子电池负极材料已经从单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。

　　锂电池负极材料有哪些特点？

　　1、石墨烯

　　石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，因为质地薄、硬度大且电子移动速度快而被科学家广泛推崇，并冠以“新材料之王”的美誉。尽管这位“王者”优异的化学性能被新能源市场所看好，但是至今为止依然停留在“概念化”的阶段。如果将石墨烯用作锂电负极材料的话，需要独立的上下游产业链、昂贵的价格还有复杂的工艺，这让众多负极材料厂商望而却步。

　　2、人工石墨

　　目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主，这两种石墨各有优劣。天然石墨克容量较高、工艺简单、价格便宜，但吸液及循环性能差一些；人造石墨工艺复杂些、价格贵些，但循环及安全性能较好。通过各种手段的技术改进，这两种石墨负极材料都可以扬长避短，但就目前来看，人造石墨用于动力锂电池上占据一定的优势。

　　3、中间相碳微球

　　中间相碳微球具有高度有序的层面堆积结构，是典型的软碳，石墨化程度较高，结构稳定，电化学性能优异。中间相碳微球在倍率性能上高出天然石墨和人工石墨，用在航模、动力工具上具有明显的优势。此外，它的热稳定性和化学稳定性决定了它不易发生化学反应，使用在锂电池上加大了安全保证。

　　4、硅碳复合材料

　　通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉让电池容量达到了550mAh/g以上，电池能量密度可达300wh/kg。现在，这种用硅碳复合材料来提升锂电池能量密度的方式已是业界公认的方向之一。

　　5、碳纳米管

　　碳纳米管(CNT)是一种具有较完整石墨化结构的特殊碳材料，其自身具有优良的导电性能和高的导热系数。因其结构特殊，导致负极在脱嵌锂时深度小、行程短、速度快，并且在大倍率大电流充放电时极化作用较小，可对提高锂电池电池的大倍率快速充放电性能很有帮助。然而，碳纳米管单独直接用作锂电池负极材料时，会存在锂电池不可逆容量高、首次充放电库伦效率低、充放电平台不明显及电压滞后严重等突出问题。

　　6、钛酸锂

　　钛酸锂(LTO)被认为是比碳更安全、寿命更长的负极材料。钛酸锂负极具有快速充放电、循环次数多及安全性高等优点，前景被很多电池界人士和企业所看好。利用钛酸锂做锂电池负极优点如下：首先，更高的安全性。钛酸锂独特的物理性能使其具备传统锂离子电池所不具备的高安全特性。钛酸锂与电解液中溶剂间的反应活性较低，在表面基本不生成SEI绝缘钝化膜，这大大改善了锂电池的化学稳定性和安全性能。

　　在较高的温度环境下，钛酸锂能够吸收正极分解所产生的氧气，降低了热失控的风险，提高了锂电池的安全性能。同时钛酸锂负极从根本上消除了金属锂在负极上枝晶现象的产生，大大降低了锂电池内部发生短路的风险。其次，钛酸锂负极锂电池寿命长。

　　锂电池负极材料把握动力电池安全性命脉，在锂离子电池负极材料中，除石墨化中间相碳微球(MCMB)、无定形碳、硅或锡类占据小部分市场份额外，天然石墨和人造石墨占据着90%以上的负极材料市场份额。

　　负极材料作为新能源汽车动力锂电池的核心材料之一，对新能源汽车的最终性能起着至关重要的作用。高性能负极材料的研究成为当前锂离子动力电池最为活跃的板块之一。负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。从技术角度来看，未来锂电池负极材料将会呈现出多样性的特点，锂电池负极材料市场或将重新洗牌。