鋰電池負極材料有哪些類型和特點

來源：存能電氣  日期：2019-03-29 09:08  瀏覽量：次

　　鋰電池負極材料有哪些類型和特性？負極材料主要影響鋰電池的首次效率、循環性能等，負極材料的性能也直接影響鋰電池的性能，負極材料占鋰電池總成本5~15%左右。鋰電池負極材料一般是有無定形碳材料、石墨化碳材料、硅基材料、氮化物、新型合金等。鋰電池的負極材料的種類是多種多樣的，但最終能夠被選用成為批量生產的鋰電池的組成材料的卻還是少之又少。

　　鋰電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側，經干燥、滾壓而成。鋰電池能否成功地制成，關鍵在于能否制備出可逆地脫/嵌鋰離子的負極材料。

　　負極材料是鋰電池儲存鋰的主體，使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。鋰電池充電時，正極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向負極運動與電子合成鋰原子。放電時，鋰原子從石墨晶體內負極表面電離成鋰離子和電子，并在正極處合成鋰原子。

　　鋰電池負極材料有哪些類型？

　　第一種是碳負極材料：目前已經實際用于鋰電池的負極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。

　　第二種是錫基負極材料：錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧化物是指各種價態金屬錫的氧化物。目前沒有商業化產品。

　　第三種是含鋰過渡金屬氮化物負極材料，目前也沒有商業化產品。

　　第四種是合金類負極材料：包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金，目前也沒有商業化產品。

　　第五種是納米級負極材料：納米碳管、納米合金材料。

　　第六種納米材料是納米氧化物材料：目前合肥翔正化學科技有限公司根據2009年鋰電池新能源行業的市場發展最新動向，諸多公司已經開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統的石墨，錫氧化物，納米碳管里面，極大的提高鋰電池的充放電量和充放電次數。

　　負極材料種類上，包括碳系負極、非碳性負極。從技術角度來看，未來鋰電池負極材料將會呈現出多樣性的特點。隨著技術的進步，目前的鋰離子電池負極材料已經從單一的人造石墨發展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主，軟碳/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負極材料共存的局面。

　　鋰電池負極材料有哪些特點？

　　1、石墨烯

　　石墨烯是由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體，因為質地薄、硬度大且電子移動速度快而被科學家廣泛推崇，并冠以“新材料之王”的美譽。盡管這位“王者”優異的化學性能被新能源市場所看好，但是至今為止依然停留在“概念化”的階段。如果將石墨烯用作鋰電負極材料的話，需要獨立的上下游產業鏈、昂貴的價格還有復雜的工藝，這讓眾多負極材料廠商望而卻步。

　　2、人工石墨

　　目前負極材料主要以天然石墨和人造石墨為主，這兩種石墨各有優劣。天然石墨克容量較高、工藝簡單、價格便宜，但吸液及循環性能差一些；人造石墨工藝復雜些、價格貴些，但循環及安全性能較好。通過各種手段的技術改進，這兩種石墨負極材料都可以揚長避短，但就目前來看，人造石墨用于動力鋰電池上占據一定的優勢。

　　3、中間相碳微球

　　中間相碳微球具有高度有序的層面堆積結構，是典型的軟碳，石墨化程度較高，結構穩定，電化學性能優異。中間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、動力工具上具有明顯的優勢。此外，它的熱穩定性和化學穩定性決定了它不易發生化學反應，使用在鋰電池上加大了安全保證。

　　4、硅碳復合材料

　　通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉讓電池容量達到了550mAh/g以上，電池能量密度可達300wh/kg。現在，這種用硅碳復合材料來提升鋰電池能量密度的方式已是業界公認的方向之一。

　　5、碳納米管

　　碳納米管(CNT)是一種具有較完整石墨化結構的特殊碳材料，其自身具有優良的導電性能和高的導熱系數。因其結構特殊，導致負極在脫嵌鋰時深度小、行程短、速度快，并且在大倍率大電流充放電時極化作用較小，可對提高鋰電池電池的大倍率快速充放電性能很有幫助。然而，碳納米管單獨直接用作鋰電池負極材料時，會存在鋰電池不可逆容量高、首次充放電庫倫效率低、充放電平臺不明顯及電壓滯后嚴重等突出問題。

　　6、鈦酸鋰

　　鈦酸鋰(LTO)被認為是比碳更安全、壽命更長的負極材料。鈦酸鋰負極具有快速充放電、循環次數多及安全性高等優點，前景被很多電池界人士和企業所看好。利用鈦酸鋰做鋰電池負極優點如下：首先，更高的安全性。鈦酸鋰獨特的物理性能使其具備傳統鋰離子電池所不具備的高安全特性。鈦酸鋰與電解液中溶劑間的反應活性較低，在表面基本不生成SEI絕緣鈍化膜，這大大改善了鋰電池的化學穩定性和安全性能。

　　在較高的溫度環境下，鈦酸鋰能夠吸收正極分解所產生的氧氣，降低了熱失控的風險，提高了鋰電池的安全性能。同時鈦酸鋰負極從根本上消除了金屬鋰在負極上枝晶現象的產生，大大降低了鋰電池內部發生短路的風險。其次，鈦酸鋰負極鋰電池壽命長。

　　鋰電池負極材料把握動力電池安全性命脈，在鋰離子電池負極材料中，除石墨化中間相碳微球(MCMB)、無定形碳、硅或錫類占據小部分市場份額外，天然石墨和人造石墨占據著90%以上的負極材料市場份額。

　　負極材料作為新能源汽車動力鋰電池的核心材料之一，對新能源汽車的最終性能起著至關重要的作用。高性能負極材料的研究成為當前鋰離子動力電池最為活躍的板塊之一。負極材料種類上，包括碳系負極、非碳性負極。從技術角度來看，未來鋰電池負極材料將會呈現出多樣性的特點，鋰電池負極材料市場或將重新洗牌。