锂电池的负极材料研究

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。

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。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。