詳解鋰電池負(fù)極材料

2022-12-14 來源：電池中國網(wǎng)

一、負(fù)極材料類型

鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)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(fù)極材料是鋰離子電池儲(chǔ)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(shí)，正極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)與電子合成鋰原子。放電時(shí)，鋰原子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面電離成鋰離子和電子，并在正極處合成鋰原子。

負(fù)極材料主要影響鋰電池的首次效率、循環(huán)性能等，負(fù)極材料的性能也直接影響鋰電池的性能，負(fù)極材料占鋰電池總成本5~15%左右。負(fù)極材料種類上，包括碳系負(fù)極、非碳性負(fù)極。從技術(shù)角度來看，未來鋰離子電池負(fù)極材料將會(huì)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前的鋰離子電池負(fù)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(fù)極材料共存的局面。

二、負(fù)極材料的技術(shù)類型

負(fù)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(fù)極材料應(yīng)該滿足如下要求：比能量高、相對(duì)鋰電極的電極電勢(shì)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(shí)密度高(>2.0g/cm3)；嵌鋰過程中尺寸和機(jī)械穩(wěn)定性好；資源豐富、價(jià)格低廉；在空氣中穩(wěn)定、無毒副作用等。

當(dāng)前主要使用的負(fù)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(dòng)力領(lǐng)域。傳統(tǒng)石墨材料的能量密度上限在372mAh/g，較當(dāng)前正極材料的能量密度還有相當(dāng)?shù)脑Ａ?。受未來能量密度以及?dòng)力電池高倍率放電的要求，盡管價(jià)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(fù)荷材料等高端負(fù)極材料逐漸進(jìn)入到了對(duì)性能要求較全面且較高的電池負(fù)極材料應(yīng)用中去。具體這幾種高端負(fù)極與天然石墨及人造石墨材料的特性以及優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表所示。

三、市場(chǎng)狀況

(一)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，石墨材料是負(fù)極材料的主流，未來石墨烯、鈦酸鋰、硅碳復(fù)合材料未來其良好發(fā)展前景。2015年全球鋰電池負(fù)極材料消費(fèi)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(fù)極材料消費(fèi)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(fù)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(fù)極材料產(chǎn)量12.25萬噸，同比增長68.27%。當(dāng)前的增速主要由于：1)國內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)量同比增長超過200%，帶動(dòng)負(fù)極材料的需求；2)中國數(shù)碼市場(chǎng)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(shì)

(一)總體呈現(xiàn)高端化趨勢(shì)

受動(dòng)力電池帶動(dòng)，2016年國內(nèi)負(fù)極材料的需求增長最快的是人造石墨，因?yàn)樘烊皇饕\(yùn)用數(shù)碼產(chǎn)品及筆記本電腦上，人造石墨主要用在動(dòng)力領(lǐng)域，再而人造石墨的均價(jià)高于天然石墨。此外，由于動(dòng)力鋰電對(duì)于高倍率放電下的穩(wěn)定性要求很高，負(fù)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(jià)遠(yuǎn)高于天然石墨和人造石墨。因此隨著動(dòng)力鋰電未來的放量，鋰電負(fù)極材料未來將呈現(xiàn)出一個(gè)高端化的趨勢(shì)。鋰離子電池負(fù)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(duì)各類材料的改性研究分不開。

對(duì)于石墨類負(fù)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(duì)于氧化物負(fù)極鈦酸鋰，主要研究如何對(duì)其進(jìn)行摻雜，提高電子、離子的傳導(dǎo)性；對(duì)于硅基錫基氧化物負(fù)極，循環(huán)的穩(wěn)定性一直是材料改性研究的重點(diǎn)。

(二)高能量密度趨勢(shì)

作為鋰電池四大關(guān)鍵材料之一，負(fù)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(fù)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(dòng)力電池方面，碳酸鋰可能是新的發(fā)展方向；在消費(fèi)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(fù)合材料為代表的新型高容量負(fù)極材料是未來發(fā)展趨勢(shì)。