锂电池新型负极材料的分析

锂电池的一般是由正极材料和负极材料组成的。负极材料的能量密度是影响锂电池能量密度的主要因素之一，可见负极材料在锂离子电池化学体系中起着至关重要的作用。

锂电池新型负极材料

锂电池负极材料的主要种类有天然石墨(59%)，人造石墨(30%)，中间相炭微球(8%)及其他类型(3%)。石墨类负极材料仍然占据锂电负极材料的主流地位，但近年新型负极材料(如钛酸锂等、石墨烯)等的研发与应用也开始受到业内关注。

①钛酸锂

尖晶石型钛酸锂被作为一种备受关注的负极材料，因具有如下优点：

1）钛酸锂在脱嵌锂前后几乎“零应变；

2）嵌锂电位较高（1.55V），避免“锂枝晶”产生，安全性较高；

3）具有很平坦的电压平台；

4）化学扩散系数和库伦效率高。

钛酸锂的诸多优点决定了其具有优异的循环性能和较高的安全性，然而，其导电性不高、大电流充放电时容量衰减严重，通常采用表面改性或掺杂来提高其电导率。

②硅基材料

硅作为锂电池理想的负极材料，具有如下优点：硅可与锂形成Li4.4Si合金，理论储锂比容量高达4200mAh/g（超过石墨比容量的10倍）；硅的嵌锂电位（0.5V）略高于石墨，在充电时难以形成“锂枝晶”；硅与电解液反应活性低，不会发生有机溶剂的共嵌入现象。

③碳纳米管

碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料，自身具有优良的导电性能，同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短，作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小，可提高锂电池的大倍率充放电性能。然而，碳纳米管直接作为锂离子电池负极材料时，会存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题。

碳纳米材料（碳纳米管和石墨烯）具有比表面积、高的导电性、化学稳定性等优点，在新型锂电池中具有潜在的应用。

④软碳

软碳，在高温条件(>2500℃)下处理可以石墨化结构的无定形碳。软碳材料的突出优点是可逆比容量高，一般大于300mAh/g，与有机溶剂相容性较好，因此锂电池的循环稳定性好，较适合大电流密度的锂电池充放电。软碳是指在2500℃以上的高温下能石墨化的无定型碳。

锂电池负极材料硅烯的优势

硅烯是一种具有蜂窝状结构的层状硅材料，可通过分子束外延以及固相反应的方法制备得到。由于在硅烯中，硅原子间的键长要比石墨烯中碳原子间的键长大许多，所以硅烯中层间原子排列具有曲翘的排列结构。

相比于传统金刚石结构的硅材料，硅烯的层间耦合作用是范德华力，层与层之间提供了可供锂离子插入的空间，确保在充放电过程中硅烯的结构不被破坏，从而避免了传统硅电极材料在充放电过程中电极体积膨胀的问题。锂电池负极材料利用硅烯制作的负极材料的稳定性和循环次数都可以得到很大的提高，相比于石墨，多层硅烯的晶格常数更大，其理论容量可以达到石墨的三倍左右。

另外，利用固相法制备的硅烯中硅原子和钙原子交替排列形成层状结构，通过局部化学插层的方法把钙移除，进而得到独立无衬底的硅烯。利用这种化学法制备的硅烯作为锂电池的阴极，同时具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循环特性等优点，成为一种非常有潜力的锂电池负极材料。

随着先进材料和全电气化电动车应用发展对电池需求的提升，锂离电池的能量密度也在不断提高；硅材料由于其优异的比容量而成为一种理想的负极材料。

总结：近年来，锂离子电池负极材料朝着高比容量、长循环寿命和低成本方向进展。随着锂电池应用场景和市场的不断扩大，未来作为储能电池的锂离子电池市场应用前景将进一步广阔。