锂离子电池理想负极材料性能应满足的七个要求

本文主要来源为学堂在线《锂离子电池材料与技术》学习笔记

负极材料是锂离子电池储锂的主体，在充放电过程中，实现锂离子的嵌入和脱出。负极材料占锂离子电池总成本的10-20%。

1、对负极材料性能的要求

理想负极材料性能应满足以下七个方面的要求：

（1）锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低。相对标准氢电池（个人理解：将标准氢电池的电位定义为0），金属锂的电位是-3.04V，电位较低。因此，为使锂离子电池的输出电压高，负极材料插入氧化还原电位应尽量接近金属锂的电位。

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相对金属锂的电位（个人理解：将金属锂的电位定义为0），石墨负极电位一般处于0.05-0.1V，钛酸锂负极的电位一般为1.55V。从插入氧化还原电位的角度，石墨负极较碳酸锂负极更优。

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（2）锂离子可以尽可能多地在负极材料中可逆地脱嵌，使得比容量（克容量）值尽可能大。

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（3）在锂离子脱嵌过程中，负极材料结构没有或很少发生变化，以确保良好的循环性能。

（4）负极材料氧化还原电位随插锂数目变化的变化应尽可能少，以保持较平稳的充放电平台。

（5）负极材料应具有较高的电子电导率和离子电导率，以减少极化并能进行大电流充放电。

（6）负极材料具有稳定的表面结构，能够与电解液形成良好的固体电解质界面膜。

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固体电解质界面膜：也称为SEI膜，是锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。

SEI膜是电子的绝缘体，又是锂离子的良导体。即电子不能穿过SEI膜，锂离子可以经过钝化层（SEI膜）自由地嵌入和脱出。

（7）价格便宜，资源丰富，对环境无污染。

2、负极材料的分类

按组成分类，负极材料可以分类为碳材料和非碳材料。

碳材料可以分为石墨类碳材料和非石墨类碳材料。

根据GB/T 24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》，石墨类材料包括：天然石墨、人造石墨、复合石墨，非石墨类碳材料根据石墨化难易程度可分难石墨化碳材料和易石墨化碳材料。

非碳材料包括：锡基材料、硅基材料、氮化物、钛基材料、过渡金属氧化物、其他一些新型的合金材料。

图片来源：根据学堂在线《锂离子电池材料与技术》资料制作

目前，已经商业化生产的锂离子电池负极材料主要包括天然石墨、人造石墨、钛酸锂材料、硅基材料等。根据负极材料的销售量，天然石墨和人造石墨是使用量最大的负极材料（根据课程介绍理解：人造石墨的使用量大于天然石墨使用量）。

在中国“碳达峰、碳中和”战略的指引下，人造石墨生产有可能被约束。因为人造石墨在生产过程中，存在用电能耗比和碳排放问题（个人理解：用电效率低和碳排放高的问题），人造石墨生产过程的石墨化工序用电量达到万度电的数量级。

编辑：黄飞