鉅大LARGE | 點擊量：1007次 | 2018年11月29日
鋰電池負極材料性能由什么決定
鋰電池負極材料，容量，壽命，安全性，是最受關注的幾個主要性能要求。
鋰電池的理論容量密度，其上限主要取決于正極材料和負極材料的理論容量。材料的理論容量怎么得來的呢？
1材料的理論容量
每摩爾材料分子可以帶來多少量的活性鋰離子，用全部鋰離子的庫倫電量除以材料的摩爾質量，就得到單位質量承載的庫倫電量值，經過單位變換，也就相當于是單位質量對應的安時數。
以碳材料為例：鋰離子在石墨中的存在形態是LiC6，6個C原子可以儲存一個鋰離子，其摩爾質量為6*12=72g，1摩爾LiC6完全反應將轉移1摩爾電子的電量。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
每摩爾電子電量：
（6.02×10^23）*（1.602176×10^-19C）/3.6
=9.645009/3.6=2.6792*10^4mAh
其中：
每摩爾電子的數量6.02×10^23；
每個電子的帶電量1.602176×10^-19C；
1mAh=3.6C；
碳原子量12；
石墨負極單位質量存儲電量：2.6792*10^4/（12*6）=372.1mAh/g。
這樣，我們就了解了負極材質的理論容量是怎樣推導出來的。材質的理論極限決定了鋰電池的理論極限。在實際應用中還會打折再打折。
那么，就從計算公式看，電極材料理論容量的決定因素：材料分子質量和每個分子對應活性鋰離子數量。
2研究和應用中的負極材料
分子結構決定了材質電荷容量的理論極限，而材質實際的物理結構也會對容量產生影響。
當前負極材料的種類大體分為碳材料、硅基及其復合材料、氮化物負極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。其中碳材料是主流，并且大部分商業化的鋰電池產量都是碳材料負極。
2.1碳材料
碳材料種類很多，常見的有天然石墨負極、人造石墨負極、中間相碳微球（MCMB）、軟炭（如焦炭）負極、硬炭負極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等，其中，被廣泛應用的天然石墨負極、人造石墨負極。
石墨作為負極為人們廣泛采用，有多個方面的原因。
首先，其電位低，放電平臺在0.01V至0.2V，使得電池整體容易獲得較高的輸出電壓；其次，石墨的層狀堆垛結構，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候，不至于變形崩潰。
最后，C元素在地球上數量極大，容易直接獲取，人工加工制造也容易實現。
石墨負極的缺陷也非常明顯，它容易與電解液反應，生成SEI膜。電芯的老化和熱失控，很大程度上來源于SEI膜的老化和穩定定的變化。這使得石墨負極的鋰電池壽命存在著確定的上限。
石墨負極
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形式，容易直接獲取。其基本的層狀結構是適合鋰離子的嵌入脫出的。但其容易與電解液發生作用，循環性差，一般無法直接商用，而是經過改性使用。
2.1.2人造石墨
寶石都認為天然的好，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過高溫燒制而成的，內部形成較大的空隙，這給容納鋰離子帶來了優勢。人造石墨循環性好，能夠經受較大電流充放電的考驗，是當前，尤其是動力電池的首選材質。
2.1.3其他石墨材質
石墨化中間相炭微球，軟碳，硬碳，都是利用高含碳量的材質加工而成的，循環壽命普遍存在問題，暫時沒有得到太多的應用。
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，長度在微米量級，一般兩端封閉的一段中空管。具有優良的導電性和導熱性。在工程中，被越來越廣泛的使用。
把碳納米管直接作為負極使用，其在大倍率放電方面，對鋰電池有所幫助，但可逆容量低，壽命短，暫時無法直接使用。人們當前的研究方向是將碳納米管與其他材質復合使用，以發揮它導電導熱和嵌鋰迅速的優勢。
碳納米管微觀模型
石墨烯
石墨烯被稱作新材料之王，其發現者也因此獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯被描述為單層碳原子組成的二維材料，高強度，高導電導熱性能。
石墨烯應用在電池負極上，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，并沒有太多的實驗數據產生。
石墨烯
2.2硅負極材料
硅負極材料，其3590mAh/g理論容量，和與碳類似的性質，使得其一直是負極材料研究的重要領域，被認為是最有可能替代碳材料的方向。其主要缺陷在于，當鋰離子嵌入時，離子與硅基材的作用力過于顯著，使得材質層間距離明顯增大，充電和放電過程，硅材料的體積一下膨脹，一下收縮。這造成材質內部很快積聚大量內應力，造成負極難于長期穩定工作。同時，硅材料表面也需要SEI膜的保護，體積的實時改變，使得SEI膜難于長期穩定附著在電極表面，也是硅材料的一個問題。
當前對于硅材料的應用，大多采用與碳材料復合的形式。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，用碳吸收部分硅的體積變化。硅碳復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極應用中來。
2.3鈦酸鋰
鈦酸鋰，被認為是當前最安全的負極材料。它不僅不需要SEI膜的緩沖，也不會造成負極被侵蝕的問題，而且還能吸收正極副反應產生的氧氣。因為這些特點，其循環壽命達到2萬次以上，并且極大降低熱失控風險。它的唯一缺陷就是容量低，理論比容量只有175mAh/g，對于追求續航的使用者來說，確實是一個問題。
3理想的負極材料長什么樣
討論一下，好的負極材料需要什么樣的性質。
首先，具有低的放電平臺，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。這一個條件將很多材質擋在了門外。
其次，材料具備較多的孔穴結構，能夠容納鋰離子，同時材質本身的分子量越小越好。這既與材質類型有關，也與材質實際物理結構有關。不能一概的說碳材料就沒有硅材料容量大。當技術手段發展到足夠高的水平，能夠擺布分子原子級別的結構構成，結構將會比原子類型更重要；
再次，穩定性，結構的穩定性和化學性質的穩定性。一方面影響電池壽命，另一方面決定了電池的安全性。動力電池的安全性是重中之重，這個要求使得很多材質臨時性能再好也不能得到重視。
最后，材料容易獲得，換句話說，應該便宜。當然，很多新產品，最初都是昂貴的，但隨著量的上升，生產成本也隨之下降。我們當前的石墨負極鋰電池就是最好的例子。
