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一文了解锂电池负极材料

众所周知,锂电池的四大主材包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜。那么,在锂电材料中,负极材料处于什么样的地位?

一般而言,锂电池负极材料由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后,涂抹在铜箔两侧,经过干燥、滚压制得,作用是储存和释放能量,主要影响锂电池的循环性能等指标。

负极材料按照所用活性物质,可分为碳材和非碳材两大类:

碳系材料包括石墨材料(天然石墨、人造石墨以及中间相碳位球)与其它碳系(硬碳、软碳和石墨烯)两条路线;

非碳系材料可细分为钛基材料、硅基材料、锡基材料、氮化物和金属锂等。

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图:负极材料分类

与正极材料不同,锂电池负极虽路线同样众多,最终产品却很单一,人造石墨是绝对主流。数据显示,2020年中国人造石墨出货量约为30.7万吨,在负极材料出货总量中的占比高达84%,较2019年水平进一步提升5.5%。

相较于其它材料,人造石墨循环性能好、 安全性占优且工艺成熟、原材料易获取,成本较低,是非常理想的选择。

石墨负极最核心的问题,则是石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh/g,而行业头部公司的产品已可实现365mAh/g的能量密度,逼近理论极限,未来的提升空间极为有限,急需寻找下一代替代品。

新一代的负极材料中,硅基负极是热门候选者。其具有极高的能量密度,理论容量比可达 4200mAh/g,远超石墨类材料[14]。但作为负极材料,硅也有严重缺陷,锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀,破坏电池结构,造成电池容量快速下降。

目前通行的解决方案之一是使用硅碳复合材料,硅颗粒作为活性物质,提供储锂容量,碳颗粒则用来缓冲充放电过程中负极的体积变化,并改善材料的导电性,同时避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。

基于此,硅碳负极材料被认为是前景最佳的技术路线,逐渐获得产业链内企业的关注。特斯拉的Model 3已经使用了掺入10%硅基材料的人造石墨负极电池,其能量密度成功实现300wh/kg,大幅领先采用传统技术路线的电池。

不过与石墨负极相比,硅碳负极除了加工技术仍不成熟外,较高的成本也是障碍。当前的硅碳负极材料市场价格超过15万元/吨,是高端人造石墨负极材料的两倍。未来量产后,电池制造商也会面临与正极材料相似的成本控制问题。

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