内容发布更新时间 : 2024/9/19 15:47:15星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

什么决定锂电池负极材料性能？材料的理论容量怎么得来的呢？

锂电池负极材料，容量，寿命，安全性，是最受关注的几个主要性能要求。

锂电池的理论容量密度，其上限主要取决于正极材料和负极材料的理论容量。材料的理论容量怎么得来的呢？

1 材料的理论容量

每摩尔材料分子可以带来多少量的活性锂离子，用全部锂离子的库伦电量除以材料的摩尔质量，就得到单位质量承载的库伦电量值，经过单位变换，也就相当于是单位质量对应的安时数。

以碳材料为例：锂离子在石墨中的存在形态是LiC6 ，6个C原子可以储存一个锂离子，其摩尔质量为6*12=72g，1摩尔LiC6 完全反应将转移1摩尔电子的电量。

每摩尔电子电量：

（6.02×10^23）*（1.602176×10^-19 C）/3.6

=9.645009/3.6=2.6792*10^4 mAh

其中：

每摩尔电子的数量6.02×10^23；

每个电子的带电量1.602176×10^-19 C；

1mAh=3.6C；

碳原子量12；

石墨负极单位质量存储电量：2.6792*10^4/（12*6）=372.1 mAh/g 。

这样，我们就了解了负极材质的理论容量是怎样推导出来的。材质的理论极限决定了锂电池的理论极限。在实际应用中还会打折再打折。

那么，就从计算公式看，电极材料理论容量的决定因素：材料分子质量和每个分子对应活性锂离子数量。

2 研究和应用中的负极材料

分子结构决定了材质电荷容量的理论极限，而材质实际的物理结构也会对容量产生影响。

当前负极材料的种类大体分为碳材料、硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。其中碳材料是主流，并且大部分商业化的锂电池产量都是碳材料负极。

2.1 碳材料

碳材料种类很多，常见的有天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球（M C M B）、软炭（如焦炭）负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等，其中，被广泛应用的天然石墨负极、人造石墨负极。

石墨作为负极为人们广泛采用，有多个方面的原因。

首先，其电位低，放电平台在0.01V至0.2V，使得电池整体容易获得较高的输出电压；其次，石墨的层状堆垛结构，使得锂离子在层间可以自由穿梭，阻碍较小。而石墨层间的范德华力，使得石墨在容纳锂离子的时候，不至于变形崩溃。

最后，C元素在地球上数量极大，容易直接获取，人工加工制造也容易实现。

石墨负极的缺陷也非常明显，它容易与电解液反应，生成SEI膜。电芯的老化和热失控，很大程度上来源于SEI膜的老化和稳定定的变化。这使得石墨负极的锂电池寿命存在着确定的上限。

石墨负极

2.1.1 天然石墨

天然石墨是自然界中原本就存在的碳单质形式，容易直接获取。其基本的层状结构是适合锂离子的嵌入脱出的。但其容易与电解液发生作用，循环性差，一般无法直接商用，而是经过改性使用。

2.1.2 人造石墨

宝石都认为天然的好，然而人造石墨却具有着天然石墨不具备的性能。人造石墨是人们选取易于石墨化的碳材料经过高温烧制而成的，内部形成较大的空隙，这给容纳锂离子带来了优势。人造石墨循环性好，能够经受较大电流充放电的考验，是当前，尤其是动力电池的首选材质。

2.1.3 其他石墨材质

石墨化中间相炭微球，软碳，硬碳，都是利用高含碳量的材质加工而成的，循环寿命普遍存在问题，暂时没有得到太多的应用。

2.1.4 碳材料的新锐——碳纳米管和石墨烯 碳纳米管

碳纳米管，直径在纳米量级，长度在微米量级，一般两端封闭的一段中空管。具有优良的导电性和导热性。在工程中，被越来越广泛的使用。

把碳纳米管直接作为负极使用，其在大倍率放电方面，对锂电池有所帮助，但可逆容量低，寿命短，暂时无法直接使用。人们当前的研究方向是将碳纳米管与其他材质复合使用，以发挥它导电导热和嵌锂迅速的优势。