锂离子电池四种负极材料对比

　　本文主要来源为学堂在线《锂离子电池材料与技术》学习笔记 目前，已经产业化的负极材料包括：天然石墨、人造石墨、硅碳复合材料、钛酸锂等。

　　下文从储锂机理、比容量（克容量）、首效、循环寿命、安全性、技术成熟度六个维度对比上述四种负极材料：

　　1、储锂机理

　　天然石墨和人造石墨均是嵌入型负极材料。因为石墨具有层状结构，锂离子可有效地嵌入层间形成插锂化合物。天然石墨和人造石墨的储锂机理均为石墨（C）与LixC6之间的转化。

　　钛酸锂也是嵌入型负极材料，锂离子可以嵌入钛酸锂晶格中。钛酸锂的储锂机制为尖晶石结构的钛酸锂（Li4Ti5O12）和岩盐结构的钛酸锂（Li7Ti5O12）之间的转化。

　　硅基材料（硅碳复合材料属于硅基材料）是合金化型负极材料，锂离子与硅发生反应生成锂硅合金。硅基材料的储锂机制为硅（Si）和锂硅合金（LixSi）之间的转化。

　　

　　图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

　　2、比容量（克容量）

　　石墨负极理论比容量（理论克容量）为372mAh/g，天然石墨负极的实际克容量值处于360-370mAh/g之间，人造石墨负极实际克容量值处于340-360mAh/g之间。

　　钛酸锂负极理论比容量最低，为175mAh/g，钛酸锂负极实际克容量值处于165-170mAh/g之间。

　　硅负极理论比容量最高，可达4200mAh/g。因为硅碳复合负极材料的比容量与硅含量占比相关，所以硅碳复合负极材料的理论比容量不是固定值，商业化应用的硅碳复合负极材料实际比容量值处于450-600mAh/g之间。

　　

　　图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

　　3、首效

　　（根据网络资料理解：首效即电池首次充放电，放电电量与充电电量的比值，首效为电池生命周期放电电量与充电电量比值的最大值。） 普通天然石墨负极首效处于92%左右，高端天然石墨负极首效处于95%左右。

　　低端人造石墨负极首效处于90%左右，常规人造石墨负极首效处于93%左右，高端人造石墨负极首效处于95%。

　　钛酸锂负极首效最高，可以达到99%，几乎没有容量损失。

　　硅碳复合负极材料（硅基材料）首效最低，一般处于80-90%之间。

　　

　　图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

　　4、循环寿命

　　天然石墨负极循环寿命小于1000次。

　　人造石墨负极循环寿命超过3000次。

　　钛酸锂负极材料循环寿命最长，超过30000次。

　　硅碳复合负极材料（硅基材料）循环寿命最短，处于300-500次之间。

　　

　　图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

　　5、安全性

　　钛酸锂负极的安全性较高，硅碳复合负极材料（硅基材料）安全性较低，天然石墨负极和人造石墨负极安全性一般。

　　

　　图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

　　6、技术成熟度

　　天然石墨负极和人造石墨负极技术比较成熟，几乎触及到天花板。钛酸锂和硅基材料技术相对不成熟，有待提高。

　　

　　图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

　　7、总结 石墨（天然石墨和人造石墨）负极材料各方面性能指标比较均衡，综合性能好，是目前市场主流产品。

　　钛酸锂负极材料具有高的稳定性，是一种安全性能优异的负极材料，但能量密度低，价格高。

　　硅碳复合材料具有高的比容量，被认为有潜力成为新一代高容量锂离子电池负极材料。

　　根据课程介绍，全球锂离子电池负极材料的行业集中度高，主要集中在中、日、韩三国。2000年以前，日本供应95%以上的负极材料。目前，中国负极材料供应量全球占比超过81%，且占比数值仍在提升，已经进入LG化学、宁德时代、三星SDI等全球锂电巨头供应链。

　　根据课程介绍，随着锂离子电池应用场景和市场的不断扩大，负极材料未来的发展方向为高容量密度、高安全性、低成本、长循环寿命。

　　编辑：黄飞