詳解鋰電池負極材料

2022-12-14 來源：電池中國網(wǎng)

一、負極材料類型

鋰離子電池的負極是由負極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體，使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。鋰電池充電時，正極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向負極運動與電子合成鋰原子。放電時，鋰原子從石墨晶體內(nèi)負極表面電離成鋰離子和電子，并在正極處合成鋰原子。

負極材料主要影響鋰電池的首次效率、循環(huán)性能等，負極材料的性能也直接影響鋰電池的性能，負極材料占鋰電池總成本5~15%左右。負極材料種類上，包括碳系負極、非碳性負極。從技術(shù)角度來看，未來鋰離子電池負極材料將會呈現(xiàn)出多樣性的特點。隨著技術(shù)的進步，目前的鋰離子電池負極材料已經(jīng)從單一的人造石墨發(fā)展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主，軟碳/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負極材料共存的局面。

二、負極材料的技術(shù)類型

負極材料主要分為以下三類：碳材料(石墨類)、金屬氧化物材料以及合金材料，具體的各子類情況如下圖所示。好的負極材料應(yīng)該滿足如下要求：比能量高、相對鋰電極的電極電勢低；充放電反應(yīng)可逆性好；與電解液和粘結(jié)劑的兼容性好；比表面積小(<10m2/g)；振實密度高(>2.0g/cm3)；嵌鋰過程中尺寸和機械穩(wěn)定性好；資源豐富、價格低廉；在空氣中穩(wěn)定、無毒副作用等。

當前主要使用的負極材料是天然石墨和人造石墨，其中天然石墨主要使用在3C領(lǐng)域，而人造石墨主要使用在動力領(lǐng)域。傳統(tǒng)石墨材料的能量密度上限在372mAh/g，較當前正極材料的能量密度還有相當?shù)脑Ａ俊Ｊ芪磥砟芰棵芏纫约皠恿﹄姵馗弑堵史烹姷囊螅M管價格昂貴或技術(shù)尚不成熟，中間相碳微球(MCMB)、鈦酸鋰以及硅基負荷材料等高端負極材料逐漸進入到了對性能要求較全面且較高的電池負極材料應(yīng)用中去。具體這幾種高端負極與天然石墨及人造石墨材料的特性以及優(yōu)缺點比較如下表所示。

三、市場狀況

(一)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，石墨材料是負極材料的主流，未來石墨烯、鈦酸鋰、硅碳復合材料未來其良好發(fā)展前景。2015年全球鋰電池負極材料消費結(jié)極來看，天然石墨、人造石墨、中間相炭碳微球及鈦酸鋰、軟碳與硬碳、非碳材料占比分別為55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，中國鋰電池負極材料消費結(jié)極來看，天然石墨、人造石墨、中間相碳微球和鈦酸鋰占比分別為36%、53%、11%。

(二)負極材料年產(chǎn)量

高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)調(diào)研顯示，2016年中國負極材料產(chǎn)量12.25萬噸，同比增長68.27%。當前的增速主要由于：1)國內(nèi)動力電池產(chǎn)量同比增長超過200%，帶動負極材料的需求；2)中國數(shù)碼市場增速雖放緩，但仍小幅增長；3)以貝特瑞為代表的企業(yè)保持一定比例的出口，雖整體出口占比下降，但總量增加。

四、發(fā)展趨勢

(一)總體呈現(xiàn)高端化趨勢

受動力電池帶動，2016年國內(nèi)負極材料的需求增長最快的是人造石墨，因為天然石墨主要運用數(shù)碼產(chǎn)品及筆記本電腦上，人造石墨主要用在動力領(lǐng)域，再而人造石墨的均價高于天然石墨。此外，由于動力鋰電對于高倍率放電下的穩(wěn)定性要求很高，負極材料家族中又涌現(xiàn)出中間相碳微球(MCMB)、鈦酸鋰以及錫基硅基等材料，這些材料的造價遠高于天然石墨和人造石墨。因此隨著動力鋰電未來的放量，鋰電負極材料未來將呈現(xiàn)出一個高端化的趨勢。鋰離子電池負極將向著高能量密度、高倍率性能、高循環(huán)性能等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的天然石墨或是人造石墨將無法滿足，這一切與針對各類材料的改性研究分不開。

對于石墨類負極，主要致力于解決石墨材料表面包覆蓋性，增加與電解液的相容性，減少不可逆容量、增加倍率性能等；對于氧化物負極鈦酸鋰，主要研究如何對其進行摻雜，提高電子、離子的傳導性；對于硅基錫基氧化物負極，循環(huán)的穩(wěn)定性一直是材料改性研究的重點。

(二)高能量密度趨勢

作為鋰電池四大關(guān)鍵材料之一，負極材料決定了鋰電池的性能，如充放電效率、循環(huán)壽命等等。常規(guī)石墨負極材料的倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰電池下游產(chǎn)品的需求。在動力電池方面，碳酸鋰可能是新的發(fā)展方向；在消費類電子產(chǎn)品方面，需要提高電池的能量密度，以硅-碳(Si-C)復合材料為代表的新型高容量負極材料是未來發(fā)展趨勢。