锂离子电池的负极材料有哪些？

2023-03-21 16:30

锂离子电池与二次锂电池的最大不同在于前者用嵌锂化合物代替金属锂作为电池负极，因此锂离子电池的研究开发，很大程度上就是负极嵌锂化合物的研究开发。

作为锂离子电池的负极材料，所必须具备的条件是：(1) 低的电化当量；(2) 锂离子的脱嵌容易且高度可逆；(3) Li+的扩散系数大；(4) 有较好的电子导电率；(5) 热稳定及其电解质相容性较好，容易制成适用电极。

目前，锂离子电池的负极材料主要有碳素材料和非碳材料两大类，已实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球(MCMB)、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等，此外，人们也在积极研究开发非碳负极材料。

1、碳素负极材料

碳材料根据其结构特性可分成两类：易石墨化碳及难石墨化碳，也就是通常所说的软碳和硬碳材料。通常硬碳的晶粒较小，晶粒取向不规则，密度较小，表面多孔，晶面间距(d002)较大，一般在0.35～0.40nm，而软碳则为0.35nm左右。

软碳主要有碳纤维、碳微球、石油焦等。软碳主要有碳纤维、碳微球、石油焦等。其中，普通石油焦的比容量较低，约为160 mAh·g-1，循环性能较差，对石油焦(国产)等通过改性处理，可使比容量提高到250 mAh·g-1，并且具有较好的循环性能。硬碳中主要有树脂碳，有机聚合物(PVA、PVC、PVDF、PAN等)热解碳以及碳黑(如乙炔黑)等。

与非石墨化碳材料相比，石墨导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，更适合Li离子的脱/嵌，形成LiC6锂-石墨层间插入化合物Li-GIC。

石墨材料主要包括人造石墨和天然石墨两大类。人造石墨是将易石墨化碳(软碳)经高温石墨化处理制得。作为锂离子电池负极材料的人造石墨类材料主要有石墨化中间相碳微球、石墨纤维及其他各种石墨化碳等。

2、非碳负极材料

含锂过渡金属氮化物是在氮化锂Li3N高离子导体材料(电导率为102·cm-1)的研究基础上发展起来的，可分为反CaF2型和Li3N型两种，代表性的材料分别为Li3-xCoxN和Li7MnN4。Li3-xCoxN属于Li3N型结构锂过渡金属氮化物(其通式为Li3-xMxN，M为Co、Ni、Cu等)，该材料比容量高，可达到900 mAh·g-1，没有不可逆容量，充放电平均电压为0.6V左右，同时也能够与不能提供锂源的正极材料匹配组成电池。

Li7MnN4属于反CaF2型结构锂过渡金属氮化物(其通式为Li2n-1MNn，M代表过渡金属)，比容量较低，约为200 mAh·g-1，但循环性能良好，充放电电压平坦，没有不可逆容量，特别是这种材料作为锂离子电池负极时，还可以采用不能提供锂源的正极材料与其匹配组成电池。

TiS2、MoS2等硫化物也可作锂离子电池的负极材料，可与LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等4V级正极材料匹配组成电池。这类电池电压较低，如以TiS2为负极，LiCoO2为正极组成电池，电压为2V左右，其循环性能较好，可达到500次。