电池奥秘揭示，锂电池的能量库，负极材料介绍

文/桃李

电池其实大家都很熟悉的，日常的很多电子设备都会用到它，你或许不知道电池的内部长什么样，也许不知道电池工作的原理，但是一定知道电池有正极和负极之分，使用时如果将正极和负极的位置放错了，电子设备就不能正常的工作，这一点在新能源电动汽车上也是也有的。

上次我们说到过动力电池的正极部分，它是电池中最重要的一个部分，其成本占单个电池总成本的50%以上。相比较而言，电池的负极似乎不太被注意到，在成本上，它只占单个电池总成本的5%—15%，那么与正极相对的负极在电池中有什么用呢？它真的没有正极重要吗？

首先我们可以明确地说，电池的负极与正极一样重要，成本上的差异主要是因为材料的不同导致的，这并不能作为衡量正负极重要程度的标准。锂电池的负极是由活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。在电池充放电过程中，负极材料作为锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。

这里我们简单说明一下电池的正负极如何工作。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

关于负极材料的选择，需要满足以下的要求，比如在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱嵌以得到高容量，而在插入/脱嵌过程中，负极主体结构没有或很少发生变化；另外主体材料具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的SEI，并且插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性，在形成SEI后不与电解质等发生反应等。

目前负极材料主要可以分为两大类，一类是以石墨为代表的碳素材料，另一类则是以硅基材料为代表的非碳负极材料，之所以说它们俩是代表，原因在于前者是当前负极材料的主流选择，而后者是负极材料未来发展的一个重要方向，两种材料各有优劣。

石墨类负极材料的工艺较为成熟，其理论容量为372mAh/g，而且其来源丰富，具有综合性能较好、性价比高等优势，是当前动力电池市场的普遍选择。石墨分为天然石墨和人造石墨，在不断地竞争中，人造石墨由于优异的性能，在加工过程中可提高和增加锂离子电池的快充性能和循环寿命，近年来逐渐成为负极材料市场主流。2021年上半年，人造石墨出货量达到28.5万吨，占负极材料总量的84.9%。

不过石墨的缺点也很多，比如克容量较低，不太能满足动力电池的需求，而且如果纯度不够，副反应较多。其次层状结构稳定性有待提高，倍率性能不好，充放电平台过低。

相比于石墨，作为新型负极材料，硅基负极最大的优势在于拥有更高的能量密度上限，硅基负极材料中的硅和锂发生合金化反应，最大克容量为4200毫安/克，是石墨的10倍以上。而这与广大车企追求更高能量、更大续航里程的目标相符合，是目前研究的一个重点方向。

目前硅基负极材料的主要缺陷在于成本较高，另外其体积膨胀可达300%，这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络，导致活性物质损失，从而严重影响硅负极材料的循环性能，这些都是制约其市场需求上升的重要因素。不过随着研究的进一步深入，以及技术水平的提高，未来应该会有更大的发展空间。

总结：

负极材料作为锂离子电池的四大关键技术之一，它与正极材料有着同样重要的作用，包括动力电池的每一个部分其实都是有其存在的作用的，我们不能单从其成本占比来考虑。

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