【干货】一文读懂锂离子电池的全貌-第6页-北极星储能网

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2.负极材料

相对而言，针对锂离子电池负极材料的研究，没有正极材料那么多，但是负极材料对锂离子电池性能的提高仍起着至关重要的作用，锂离子电池负极材料的选择应主要考虑以下几个条件：

1）应为层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌；

2）在锂离子脱嵌时无结构上的变化，具有良好的充放电可逆性和循环寿命；

3）锂离子在其中应尽可能多的嵌入和脱出，以使电极具有较高的可逆容量；

4）氧化还原反应的电位要低，与正极材料配合，使电池具有较高的输出电压；

5）首次不可逆放电比容量较小；

6）与电解质溶剂相容性好；

7）资源丰富、价格低廉；

8）安全性好；

9）环境友好。

锂离子电池负极材料的种类繁多，根据化学组成可以分为金属类负极材料（包括合金）、无机非金属类负极材料及金属氧化物类负极材料。

（1）金属类负极材料：这类材料多具有超高的嵌锂容量。最早研究的负极材料是金属锂。由于电池的安全问题和循环性能不佳，金属锂作为负极材料并未得到广泛应用。近年来，合金类负极材料得到了比较广泛的研究，如锡基合金，铝基合金、镁基合金、锑基合等，是一个新的方向。

（2）无机非金属类负极材料：用作锂离子电池负极的无机非金属材料主要是碳材料、硅材料及其它非金属的复合材料。

（3）过渡金属氧化物材料：这类材料一般具有结构稳定，循环寿命长等优点，如锂过渡氧化物（钛酸锂等）、锡基复合氧化物等。

就当前的市场而言，在大规模商业化应用方面，负极材料仍然以碳材料为主，石墨类和非石墨类碳材料都有应用。在汽车及电动工具领域，钛酸锂作为负极材料也有一定的应用，主要是具有非常优异的循环寿命、安全性和倍率性能，但是会降低电池的能量密度，因此不是市场主流。其他类型的负极材料，除了SONY在锡合金方面有产品推出，大多仍以科学研究和工程开发为主，市场化应用的比较少。

就未来的发展趋势而言，如果能有效解决循环性能，硅基材料将可能取代碳材料成为下一代锂离子电池的主要负极材料。锡合金，硅合金等合金类的负极材料，也是一个非常热门的方向，将走向产业化。此外，安全性和能量密度较高的铁氧化物，有可能取代钛酸锂（LTO），在一些长寿命和安全性要求较高的领域，得到广泛应用。

接下来的内容，我们将就锂离子电池与能量相关的两个关键指标：能量密度和充放电倍率，展开一些简短的论述。

能量密度，是单位体积或重量可以存储的能量多少，这个指标当然是越高越好，凡是浓缩的都是精华嘛。充放电倍率，是能量存储和释放的速度，最好是秒速，瞬间存满或释放，召之即来挥之即去。

当然，这些都是理想，实际上受制于各种各样的现实因素，我们既不可能获得无限的能量，也不可能实现能量的瞬间转移。如何不断的突破这些限制，达到更高的等级，就是需要我们去解决的难题。

锂离子电池的能量密度

可以说，能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机，还是电动汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。

从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池，能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言，相对于人类对能量的需求程度而言，显得太慢了。甚至有人戏言，人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然，如果哪一天能够实现全球电力无线传输，到哪儿都能“无线”获得电能（像手机信号一样），那么人类也就不再需要电池了，社会发展自然也就不会卡在电池上面。

针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策目标，期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标，基本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标，则要达到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，电池行业必须要有化学体系的重大突破，才有可能实现这一目标。

影响锂离子电池能量密度的因素有很多，就锂离子电池现有的化学体系和结构而言，具体都有哪些明显的限制呢？

前面我们分析过，充当电能载体的，其实就是电池当中的锂元素，其他物质都是“废物”，可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体，这些“废物”又是不可或缺的。举个例子，一块锂离子电池当中，锂元素的质量占比一般也就在1%多一点，其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天赋，看来这个道理放之四海皆准啊，1%是红花，剩下的99%就是绿叶，少了哪个都不行。

那么要提高能量密度，我们首先想到的就是提高锂元素的比例，同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来，移动到负极，然后还得从负极原数返回正极（不能变少了），周而复始的搬运能量。

1.提高正极活性物质的占比

提高正极活性物质占比，主要是为了提高锂元素的占比，在同一个电池化学体系中，锂元素的含量上去了（其他条件不变），能量密度也会有相应的提升。所以在一定的体积和重量限制下，我们希望正极活性物质多一些，再多一些。

2.提高负极活性物质的占比

这个其实是为了配合正极活性物质的增加，需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子，存储能量。如果负极活性物质不够，多出来的锂离子会沉积在负极表面，而不是嵌入内部，出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。

3.提高正极材料的比容量（克容量）

正极活性物质的占比是有上限的，不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌，参与化学反应，才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高，也就是比容量指标要高。

这就是我们研究和选择不同的正极材料的原因，从钴酸锂到磷酸铁锂，再到三元材料，都是奔着这个目标去的。

前面已经分析过，钴酸锂可以达到137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以达到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正极材料，并取得产业化进展。

4.提高负极材料的比容量

相对而言，负极材料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈，但是如果进一步提升负极的比容量，则意味着以质量更少的负极材料，就可以容纳更多的锂离子，从而达到提升能量密度的目标。

以石墨类碳材料做负极，理论比容量在372mAh/g，在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料，则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极材料，也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级，这些都是当前研究的热点方向。

5.减重瘦身

除了正负极的活性物质之外，电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体材料等，都是锂离子电池的“死重”，占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻这些材料的重量，同时不影响电池的性能，那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。

在这方面做文章，就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析，从而找出合理的方案。各个方面都改善一些，就可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。

从以上的分析可以看出，提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程，要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手，寻找短期、中期和长期的解决方案。

原标题：一文读懂锂离子电池的全貌

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