详解锂电池负极材料

一、负极材料类型

锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。负极材料是锂离子电池储存锂的主体，使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。锂电池充电时，正极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向负极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内负极表面电离成锂离子和电子，并在正极处合成锂原子。

负极材料主要影响锂电池的首次效率、循环性能等，负极材料的性能也直接影响锂电池的性能，负极材料占锂电池总成本5~15%左右。负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。从技术角度来看，未来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。随着技术的进步，目前的锂离子电池负极材料已经从单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。

二、负极材料的技术类型

负极材料主要分为以下三类：碳材料(石墨类)、金属氧化物材料以及合金材料，具体的各子类情况如下图所示。好的负极材料应该满足如下要求：比能量高、相对锂电极的电极电势低；充放电反应可逆性好；与电解液和粘结剂的兼容性好；比表面积小(<10m2/g)；振实密度高(>2.0g/cm3)；嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好；资源丰富、价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用等。

当前主要使用的负极材料是天然石墨和人造石墨，其中天然石墨主要使用在3C领域，而人造石墨主要使用在动力领域。传统石墨材料的能量密度上限在372mAh/g，较当前正极材料的能量密度还有相当的裕量。受未来能量密度以及动力电池高倍率放电的要求，尽管价格昂贵或技术尚不成熟，中间相碳微球(MCMB)、钛酸锂以及硅基负荷材料等高端负极材料逐渐进入到了对性能要求较全面且较高的电池负极材料应用中去。具体这几种高端负极与天然石墨及人造石墨材料的特性以及优缺点比较如下表所示。

三、市场状况

(一)产品结构

现阶段，石墨材料是负极材料的主流，未来石墨烯、钛酸锂、硅碳复合材料未来其良好发展前景。2015年全球锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相炭碳微球及钛酸锂、软碳与硬碳、非碳材料占比分别为55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，中国锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和钛酸锂占比分别为36%、53%、11%。

(二)负极材料年产量

高工产研锂电研究所(GGII)调研显示，2016年中国负极材料产量12.25万吨，同比增长68.27%。当前的增速主要由于：1)国内动力电池产量同比增长超过200%，带动负极材料的需求；2)中国数码市场增速虽放缓，但仍小幅增长；3)以贝特瑞为代表的企业保持一定比例的出口，虽整体出口占比下降，但总量增加。

四、发展趋势

(一)总体呈现高端化趋势

受动力电池带动，2016年国内负极材料的需求增长最快的是人造石墨，因为天然石墨主要运用数码产品及笔记本电脑上，人造石墨主要用在动力领域，再而人造石墨的均价高于天然石墨。此外，由于动力锂电对于高倍率放电下的稳定性要求很高，负极材料家族中又涌现出中间相碳微球(MCMB)、钛酸锂以及锡基硅基等材料，这些材料的造价远高于天然石墨和人造石墨。因此随着动力锂电未来的放量，锂电负极材料未来将呈现出一个高端化的趋势。锂离子电池负极将向着高能量密度、高倍率性能、高循环性能等方向发展，传统的天然石墨或是人造石墨将无法满足，这一切与针对各类材料的改性研究分不开。

对于石墨类负极，主要致力于解决石墨材料表面包覆盖性，增加与电解液的相容性，减少不可逆容量、增加倍率性能等；对于氧化物负极钛酸锂，主要研究如何对其进行掺杂，提高电子、离子的传导性；对于硅基锡基氧化物负极，循环的稳定性一直是材料改性研究的重点。

(二)高能量密度趋势

作为锂电池四大关键材料之一，负极材料决定了锂电池的性能，如充放电效率、循环寿命等等。常规石墨负极材料的倍率性能已经难以满足锂电池下游产品的需求。在动力电池方面，碳酸锂可能是新的发展方向；在消费类电子产品方面，需要提高电池的能量密度，以硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。

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