非石墨类碳负极材料被研究应用于锂离子电池中

目前，在商业中普遍使用石墨类碳材料作为锂离子电池负极。但是石墨类碳材料理论容量（克容量）为372mAh/g，数值较低，越来越不能满足高容量锂离子电池的发展需求。而且石墨类碳材料对电解液敏感（个人理解：与电解液发生某种程度的反应，影响电池性能）。

因此，非石墨类碳负极材料开始被研究应用于锂离子电池中。

1、非石墨类碳材料

非石墨类碳材料一般指不经过2500℃以上高温石墨化处理的碳材料。根据石墨化难易程度可分为难石墨化碳和易石墨化碳。

非石墨类碳材料主要由石墨微晶构成，碳原子间以sp2杂化（碳原子最外层电子轨道转化为三个新轨道，每个轨道与相邻碳原子的一个轨道形成共价键）结合，层间距较大，有利于锂离子快速脱嵌。

因为非石墨类碳材料的组织结构与石墨规整有序的结构不同，所以非石墨类碳材料不呈现晶体的性质。非石墨类碳材料也被称为无定形碳。

2、难石墨化碳（硬碳）

难石墨化碳是指在2500℃以上高温条件处理，难以形成石墨化结构的碳，也被称为硬碳。硬碳一般从高分子有机物高温热解得到，常见硬碳包括：树脂热解碳（如酚醛树脂热解碳）、有机聚合物热解碳（如聚氯乙烯热解碳）、炭黑（如乙炔黑）

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

2.1    难石墨化碳（硬碳）的优点

（1）硬碳的大倍率充放电性能优于石墨。与石墨相比，硬碳的层间距较大，约0.38nm（石墨层间距为0.335nm），更有利于锂离子的快速嵌入和脱出。

（2）硬碳可以与碳酸丙烯脂（PC）基电解液更兼容，硬碳可以发挥更优的倍率性能。与石墨不同，硬碳中不容易发生碳酸丙烯脂分子与锂离子共嵌入，导致硬碳层间剥落的情况。

（3）硬碳具有更高的克容量，处于350-450mAh/g之间。硬碳在制备过程中，内部结构会产生晶格缺陷。锂离子不仅可以嵌入硬碳原子层间，也可以嵌入到缺陷中，使得硬碳的克容量高于石墨。

2.2    难石墨化碳（硬碳）缺点

（1）不可逆克容量较高。

（2）电压随容量（克容量）变化大。

（3）缺少平稳的放电平台。

由于上述缺点，硬碳作为锂离子电池负极材料受到限制。

3、易石墨化碳（软碳）

易石墨化碳是指在2500℃以上高温条件处理，能石墨化的无定形碳，也被称为软碳。常见软碳材料：针状焦、石油焦、碳纤维等。

软碳材料的可逆克容量一般大于300mAh/g。近年来有研究表明软碳材料进行表面氧化、包覆、掺杂等改性处理后，克容量可达到400mAh/g以上（个人理解：不是可逆克容量），循环性能可提升至1500次以上。

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

软碳材料的优点是与电解液相容性好，因此作为负极制备的锂离子电池循环稳定性好，较适合大电流密度的充放电。

软碳材料的缺点是嵌锂电位较高（约1V，石墨为0.05-0.1V），造成锂离子电池的工作电压较低。因此限制了锂离子电池的容量（克容量）和能量密度。

软碳一般不直接作为负极材料，是制造人造石墨的原料。软碳也可以作为掺杂、包覆材料对天然石墨或合金等负极材料进行改性处理。

4、总结

硬碳和软碳均具有大倍率充放电性能好的优点和不可逆克容量高的缺点。

相对于硬碳，软碳与电解液相容性更优。相对于软碳，硬碳具有更高的可逆克容量和更优的快速充放电性能。

审核编辑：刘清