鋰電池主要負極材料有錫基材料、鋰基材料、鈦酸鋰、碳納米材料、石墨烯材料等。鋰電池負極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的主要因素之一，鋰電池的正極材料、負極材料、電解質、隔膜被稱為鋰電池的四個最核心材料。下面我們簡單介紹一下各類負極材料的性能指標、優缺點及可能的改進方向。

1.碳納米管

碳納米管是一種石墨化結構的碳材料，自身具有優良的導電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

然而，碳納米管直接作為鋰電池負極材料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問題。如Ng等采用簡單的過濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。

碳納米管在負極中的另一個應用是與其他負極材料(石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等)復合，利用其獨特的中空結構、高導電性及大比表面積等優點作為載體改善其他負極材料的電性能。

2.石墨烯

石墨烯是一種由碳六元環形成的新型碳材料,具有很多**的性能，如大比表面(約2600m2g-1)、高導熱系數(約5300Wm-1K-1)、高電子導電性(電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關注。

石墨烯直接作為鋰電池負極材料時，具有非?？捎^的電化學性能。試驗室曾采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區間，表現出電容器的特性。

圖2石墨烯負極材料

石墨烯負極材料在1C放電倍率下,首次可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環后容量仍可達到460mAh/g。石墨烯還可作為導電劑，與其他負極材料復合，提高負極材料的電化學性能。

采用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經過50次循環后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經過700次循環后，容量分別能達到450mAh/g和315mAh/g，表現出較高的容量和良好的循環性能。

3.鈦酸鋰

尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關注的負極材料，因具有如下優點：

1)鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎“零應變(脫嵌鋰前后晶胞參數”a從0.836nm僅變為0.837nm)；

2)嵌鋰電位較高(1.55V)，避免“鋰枝晶”產生，安全性較高；

3)具有很平坦的電壓平臺；

4)化學擴散系數和庫倫效率高。

鈦酸鋰的諸多優點決定了其具有**的循環性能和較高的安全性，然而，其導電性不高、大電流充放電時容量衰減嚴重，通常采用表面改性或摻雜來提高其電導率。

圖3鈦酸鋰負極材料

經碳包覆的鈦酸鋰具有較小的粒徑和良好的分散性，表現出更優的電化學性能，主要歸因于碳包覆提高了鈦酸鋰顆粒表面的電子電導率，同時較小的粒徑縮短了Li+的擴散路徑。

采用化學氣相沉積法，在膨脹石墨的孔洞中原位生長碳納米管，合成了膨脹石墨/碳納米管復合材料，其首次可逆容量為443mAh/g，以1C倍率充放電循環50次后，可逆容量仍可達到259mAh/g。碳納米管的中空結構及膨脹石墨的孔洞，提供了大量的鋰活性位，而且這種結構能緩沖材料在充放電過程中產生的體積效應。

4.硅基材料

硅作為鋰離子電池理想的負極材料，具有如下優點：

1)硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲鋰比容量高達4200mAh/g(超過石墨比容量的10倍)；

2)硅的嵌鋰電位(0.5V)略高于石墨，在充電時難以形成“鋰枝晶”；

3)硅與電解液反應活性低，不會發生有機溶劑的共嵌入現象。

然而，硅電極在充放電過程中會發生循環性能下降和容量衰減，主要有兩大原因：

1)硅與鋰生成Li4.4Si合金時，體積膨脹高達320%，巨大的體積變化易導致活性物質從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環性能迅速下降；

2)電解液中的LiPF6分解產生的微量HF會腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。

為了提高硅電極的電化學性能，通常有如下途徑：制備硅納米材料、合金材料和復合材料。

通過高能球磨法制備了Si-NiSi-Ni復合物，然后利用HNO3溶解復合物中的Ni單質，得到了多孔結構的Si-NiSi復合物。

圖4硅基負極材料

5.錫合金

SnCoC是錫合金負極材料中商業化較成功的一類材料，其將Sn、Co、C三種元素在原子水平上均勻混合，并非晶化處理而得，該材料能****充放電過程中電極材料的體積變化，提高循環壽命。

6.錫氧化物

SnO2因具有較高的理論比容量(781mAh/g)而備受關注，然而，其在應用過程中也存在一些問題：首次不可逆容量大、嵌鋰時會存在較大的體積效應(體積膨脹250%～300%)、循環過程中容易團聚等。通過制備復合材料，可以****SnO2顆粒的團聚，同時還能緩解嵌鋰時的體積效應，提高SnO2的電化學穩定性。

近年來，鋰離子電池負極材料朝著高比容量、長循環壽命和低成本方向進展。金屬基(錫基、硅基)材料在發揮高容量的同時伴隨著體積變化，由于金屬基合金材料的容量與體積變化成正比，而實際電芯體積不允許發生大的變化(一般小于5%)，所以其在實際應用中的容量發揮受到了較大的限制，解決或改善體積變化效應將成為金屬基材料研發的方向。

鈦酸鋰由于具有體積變化小、循環壽命長和安全性好等**優勢，在電動汽車等大型儲能領域有較大的發展潛力，由于其能量密度較低，與高電壓正極材料LiMn1.5Ni0.5O4匹配使用，是未來高安全動力電池的發展方向。

碳納米材料(碳納米管和石墨烯)具有比表面積、高的導電性、化學穩定性等優點，在新型鋰離子電池中具有潛在的應用。然而，碳納米材料單獨作為負極材料存在不可逆容量高、電壓滯后等缺點，與其他負極材料復合使用是目前比較實際的選擇。

我們可以提供Fe2O3、Co3O4、TiO2以及金屬硫化物等復合電極材料；碳負極材料、合金類負極材料、錫基負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料；以及鈦基氧化物及其復合材料,包括Co摻雜的Li4Ti5O12納米纖維,Pd/CeO2-TiO2納米纖維膜和N-TiO2/g-C3N4復合材料。

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以上內容來自齊岳小編zzj 2021.4.20