鋰電池的一般是由正極材料和負(fù)極材料組成的。負(fù)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，可見負(fù)極材料在鋰離子電池化學(xué)體系中起著至關(guān)重要的作用。

鋰電池新型負(fù)極材料

鋰電池負(fù)極材料的主要種類有天然石墨(59%)，人造石墨(30%)，中間相炭微球(8%)及其他類型(3%)。石墨類負(fù)極材料仍然占據(jù)鋰電負(fù)極材料的主流地位，但近年新型負(fù)極材料(如鈦酸鋰等、石墨烯)等的研發(fā)與應(yīng)用也開始受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。

①鈦酸鋰

尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負(fù)極材料，因具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎“零應(yīng)變；

2）嵌鋰電位較高（1.55V），避免“鋰枝晶”產(chǎn)生，安全性較高；

3）具有很平坦的電壓平臺；

4）化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)和庫倫效率高。

鈦酸鋰的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了其具有優(yōu)異的循環(huán)性能和較高的安全性，然而，其導(dǎo)電性不高、大電流充放電時容量衰減嚴(yán)重，通常采用表面改性或摻雜來提高其電導(dǎo)率。

②硅基材料

硅作為鋰電池理想的負(fù)極材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)：硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲鋰比容量高達(dá)4200mAh/g（超過石墨比容量的10倍）；硅的嵌鋰電位（0.5V）略高于石墨，在充電時難以形成“鋰枝晶”；硅與電解液反應(yīng)活性低，不會發(fā)生有機(jī)溶劑的共嵌入現(xiàn)象。

③碳納米管

碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負(fù)極材料在大倍率充放電時極化作用較小，可提高鋰電池的大倍率充放電性能。然而，碳納米管直接作為鋰離子電池負(fù)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。

碳納米材料（碳納米管和石墨烯）具有比表面積、高的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在新型鋰電池中具有潛在的應(yīng)用。

④軟碳

軟碳，在高溫條件(>2500℃)下處理可以石墨化結(jié)構(gòu)的無定形碳。軟碳材料的突出優(yōu)點(diǎn)是可逆比容量高，一般大于300mAh/g，與有機(jī)溶劑相容性較好，因此鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性好，較適合大電流密度的鋰電池充放電。軟碳是指在2500℃以上的高溫下能石墨化的無定型碳。

鋰電池負(fù)極材料硅烯的優(yōu)勢

硅烯是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的層狀硅材料，可通過分子束外延以及固相反應(yīng)的方法制備得到。由于在硅烯中，硅原子間的鍵長要比石墨烯中碳原子間的鍵長大許多，所以硅烯中層間原子排列具有曲翹的排列結(jié)構(gòu)。

相比于傳統(tǒng)金剛石結(jié)構(gòu)的硅材料，硅烯的層間耦合作用是范德華力，層與層之間提供了可供鋰離子插入的空間，確保在充放電過程中硅烯的結(jié)構(gòu)不被破壞，從而避免了傳統(tǒng)硅電極材料在充放電過程中電極體積膨脹的問題。鋰電池負(fù)極材料利用硅烯制作的負(fù)極材料的穩(wěn)定性和循環(huán)次數(shù)都可以得到很大的提高，相比于石墨，多層硅烯的晶格常數(shù)更大，其理論容量可以達(dá)到石墨的三倍左右。

另外，利用固相法制備的硅烯中硅原子和鈣原子交替排列形成層狀結(jié)構(gòu)，通過局部化學(xué)插層的方法把鈣移除，進(jìn)而得到獨(dú)立無襯底的硅烯。利用這種化學(xué)法制備的硅烯作為鋰電池的陰極，同時具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循環(huán)特性等優(yōu)點(diǎn)，成為一種非常有潛力的鋰電池負(fù)極材料。

隨著先進(jìn)材料和全電氣化電動車應(yīng)用發(fā)展對電池需求的提升，鋰離電池的能量密度也在不斷提高；硅材料由于其優(yōu)異的比容量而成為一種理想的負(fù)極材料。

總結(jié)：近年來，鋰離子電池負(fù)極材料朝著高比容量、長循環(huán)壽命和低成本方向進(jìn)展。隨著鋰電池應(yīng)用場景和市場的不斷擴(kuò)大，未來作為儲能電池的鋰離子電池市場應(yīng)用前景將進(jìn)一步廣闊。