2024年4月12日发(作者：农千)
第３卷第２期
２０１
４年３月
储能科学与技术
ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ
Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．３Ｎｏ．２
４
Ｍａｒ．２
０
１
锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料
罗飞，褚赓，黄杰，孙洋，李
（中国科学院物理研究所，北京１００１９０）
泓
摘要：锂离子电池的成功商业化，起始于石油焦负极材料。负极作为锂离子电池必不可少的关键材料，目前
主要集中在碳、钛酸锂以及硅基等合金类负极，采用传统的碳负极可以基本满足消费电子、动力电池、储能电
池的要求，采用钛酸锂可以满足高功率密度、长循环寿命的要求，采用合金类负极材料有望进一步提高能量密
度。本文小结了目前广泛使用和正在研究的锂离子电池负极材料的性能特点，讨论了下一代锂离子电池负极材
料的研究和发展状况。
关键词：锂离子电池；负极材料
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—４２３９．２０１４．０２．０１０
中图分类号：Ｏ
６４６．２１
文献标志码：Ａ
文章编号：２０９５．４２３９（２０１４）０２．１４６．１８
Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ
ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ
ａｓｐｅｃｔｓ
ｏｆ
ｌｉｔｈｉｕｍ
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（Ⅷ）——Ａ
ｎｏｄｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＬＵＯ
Ｆｅｉ，ＣＨＵ
Ｇｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ
Ｊｉｅ，ＳＵＮ
Ｙａｎｇ，ＬＩＨｏｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１００１９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ
ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ
ｆｒｏｍｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ
ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ
ｃｏｋｅｂａｓｅｄ
ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｂｙ
ＳＯＮＹｉｎ１９９１．Ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｐｌａｙ
ａ
ｋｅｙ
ｒｏｌｅｉｎｔｈｅ
ｐｒｏｇｒｅｓｓ
ｏｆ
ｌｉｔｈｉｕｍ
ｉｏｎ
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ。Ｕｐ
ｔｏ
ｎＯＷ，ｃａｒｂｏｎ．１ｉｔｈｉｕｍ
ｔｉｔａｎａｔｅａｎｄ
ａｌｌｏｙ
ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｈａｖｅ
ｂｅｅｎｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ．Ｌｉ．ｉｏｎ
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ｕｓｉｎｇ
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｃａｎ
ｍｏｒｅ
ｏｒ
１ｅｓｓ
ｍｅｅｔ
ｔｈｅ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
ｏｆ
ｃｏｎｓｕｍｅｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｖｅｈｉｃｌｅｓａｎｄ
ｌａｒｇｅ
ｓｃａｌｅ
ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｌｉｔｈｉｕｍ
ｔｉｔａｎａｔｅａｎｏｄｅｓ
ｗｈｅｒｅａｓｔｈｅ
ｕｓｅ
ｃａｎ
ｍｅｅｔ
ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｓｕｃｈ
ａｓ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｂｕｓｅｓ，
ｏｆ
ａｌｌｏｙ
ａｎｏｄｅｓ
ｃａｎ
ｆｕｒｔｈｅｒ
ｉｍｐｒｏｖｅ
ｔｈｅ
ｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙ
ｏｆＬｉ—ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ，
ｗｅ
ｓｕｍｍａｒｉｚｅ
ｂｒｉｅｆｌｙ
ｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｔｈａｔｈａｖｅｂｅｅｎ
ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ
ａｎｄ
ｗｉｄｅｌｙ
ｕｓｅｄ，ａｎｄ
ｄｉｓｃｕｓｓ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ
ｏｆ
ｎｅｘｔ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
１９７２年，知ｍａｎｄ等‘１１提出了摇椅式电池（ｒｏｃｋｉｎｇ
ｃｈａｉｒ
提出了ＬｉＭ０２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ）化合物用于正极
ｂａｔｔｅｒｙ）的概念，正负极材料采用嵌入化合物
材料，这些材料均为层状结构化合物，能够可逆地
嵌入和脱出Ｌｉ。１９８１年后大部分有关负极材料的研
究主要集中在含Ｌｉ源负极，如ＬｉＡｌ合金【ＺＪ、ＬｉＣ合
金‘３１、ＬｉｘＭ０６Ｓｅ６［４１、ＬｉＷ０２【５１、Ｌｉ６Ｆｅ２０３［６１等，这些
（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ
ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ），在充放电过程中，Ｌｉ＋在
正负极之间来回穿梭。寻找适合这一概念的正负极
材料经历了较长的时间。１９８１年，Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等
收稿日期：２０１４．０１－２４；修改稿日期：２０１４．０１—２７。
基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目（５１３２５２０６），国家重
点基础研究发展计划（９７３）项目（２０１２ＣＢ９３２９００）。
第一作者：罗飞（１９８７一），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池
硅负极材料，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｅｉｌｕ０１９８７＠１６３．ＣＯＩＴｔ通讯联系人：李泓，研究
员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｌｉ＠ｉｐ·ｈｙ．ａｃ．ｃｎ。
材料价格高、能量密度低、循环性能不稳定、难以
实用化。
石墨也具有层状结构，早在２０世纪５０年代就
已经合成Ｌｉ的石墨嵌入化合物【／Ｊ。１９７０年，Ｄｅｙ
等【８１发现Ｌｉ可以通过电化学方法在有机电解质溶液
万方数据
第２期
罗飞等：锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料
用成本低；⑩资源丰富。
１４７
中嵌入石墨，１９８３年法国ＩＮＰＧ实验室ｐ１第一次在
电化学电池中成功地实现了Ｌｉ在石墨中的可逆脱
嵌。２０世纪８０年代世界各地尤其在日本开展了碳
迄今为止，石墨类碳负极材料是能同时满足以
上要求的综合性能最好的负极材料，用途最为广
泛。开发新型负极材料面临的最大挑战是需要根据
应用需求寻找具有某项或多项突出优点，同时还能
兼顾其它综合性能的材料，而材料能否在电池中获
得应用取决于该材料最差的某项性能是否满足应
用的最低要求，这是典型的如图１所示的“木桶效
应”。由于这些相互制约的要求，过去２０多年，尽
负极材料的广泛研究。１９８９年，日本ＳＯＮＹ公司的
研究人员【９】终于寻找到了合适的正负极材料、电解
质材料的组合，申请了以ＬｉＣ００２作“源正极、石
油焦作负极、ＬｉＰＦ６溶于丙烯碳酸酯（ＰＣ）和乙烯
碳酸酯（ＥＣ）作电解液的二次锂电池体系的专利，
并在１９９１年开始商业化生产【Ｊ…。１９９３年后，商品
化的锂离子电池开始采用性能稳定的人造石墨（如
中间相炭微球ＭＣＭＢ、改性天然石墨）为负极材
料［１１－１３】。
由于这一可充放锂电池体系不含金属Ｌｉ，日本
学者西美绪（Ｎｉｃｈｉ）等就把此类摇椅式电池称之为
锂离子电池（１ｉｔｈｉｕｍ
ｉｏｎ
管数千种以上的负极材料获得了研究，但能够最终
获得商业应用的负极材料种类实际上非常少。
ｂａｋｅｒｙ），这种方便易懂的
电压
化学组成
微结构
提法最终被学术界和产业界接受。自从ＳＯＮＹ公司
商业化锂离子电池以来ｌｌ４。，锂离子电池产业迅猛发
展。目前，主要应用于手机、笔记本电脑、摄像机
库仑效率
循环特性
倍率特性
能量效率
表面组成与结构
颗粒尺寸与形状
组成与结构的均匀性
杂质含量
自放电
环境适应性
安全性
成本
等便携式设备【ｌ引，同时还涉及太阳能和风力发电储
能ｌｌ州、航空航天、军事、医疗等方面。目前，锂离
子电池正向电动汽车领域以及大规模工业储能系统
真实／振实／压实密度
力学特性
孔隙率、孔曲率
电导率、扩展系数、活
环境危害性
这两个重要的新兴领域发展【１７－２０］ｏ
与正极材料一样，负极材料在锂离子电池的发
展中也起着关键的作用。近年来，为了使锂离子电
池具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性
能以及可靠的安全性能，负极材料作为锂离子电池
的关键组成部分受到了广泛地关注。对负极材料的
选择应满足以下条件１２¨：①嵌脱Ｌｉ反应具有低的
Ｆｉｇ．１
图１电极材料开发过程中需要考虑的因素
Ｆａｃｔｏｒｓｏｆ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ
ａｎｄ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
１典型的锂离子电池负极材料
目前，商业化广泛使用的锂离子电池负极材料
氧化还原电位，以满足锂离子电池具有较高的输出
电压；②Ｌｉ嵌入脱出的过程中，电极电位变化较
小，这样有利于电池获得稳定的工作电压；③可逆
容量大，以满足锂离子电池具有高的能量密度；④
脱嵌Ｌｉ过程中结构稳定性好，以使电池具有较高的
循环寿命：⑤嵌“电位如果在１．２
ＶⅧ．Ｌｉ＋／Ｌｉ以
下，负极表面应能生成致密稳定的固体电解质膜
（ＳＥＩ），从而防止电解质在负极表面持续还原，不可
逆消耗来自正极的Ｌｉ；⑥具有比较低的ｅ和Ｌｉ＋的
主要分为以下两类：①六方或菱形层状结构的人造
石墨和天然改性石墨；②立方尖晶石结构的
Ｌｉ４Ｔｉ５０１２。其晶体结构如图２所示，结构参数、“
扩散系数及理论容量等见表ｌ。
ｏ［Ｌｉ。Ｔ
“徘岛
（ａ）石墨
峄罐铅炒。２敝
舻班》印‘
输运阻抗，以获得较高的充放电倍率和低温充放电
性能；⑦充放电后材料的化学稳定性好，以提高电
池的安全性、循环性，降低自放电率；⑧环境友好，
制造过程及电池废弃的过程不对环境造成严重污染
和毒害；⑨制备工艺简单，易于规模化，制造和使
｝如懈如。一６
（ｂ）Ｌｉ。Ｔｉ，Ｏ．２
图２商业化广泛使用的锂离子电池负极材料的结构
Ｆｉｇ．２
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｏｆｔｗｏ
ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ
ｎｅｇａｔｉｖｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
万方数据
2024年4月12日发(作者：农千)
第３卷第２期
２０１
４年３月
储能科学与技术
ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ
Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．３Ｎｏ．２
４
Ｍａｒ．２
０
１
锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料
罗飞，褚赓，黄杰，孙洋，李
（中国科学院物理研究所，北京１００１９０）
泓
摘要：锂离子电池的成功商业化，起始于石油焦负极材料。负极作为锂离子电池必不可少的关键材料，目前
主要集中在碳、钛酸锂以及硅基等合金类负极，采用传统的碳负极可以基本满足消费电子、动力电池、储能电
池的要求，采用钛酸锂可以满足高功率密度、长循环寿命的要求，采用合金类负极材料有望进一步提高能量密
度。本文小结了目前广泛使用和正在研究的锂离子电池负极材料的性能特点，讨论了下一代锂离子电池负极材
料的研究和发展状况。
关键词：锂离子电池；负极材料
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—４２３９．２０１４．０２．０１０
中图分类号：Ｏ
６４６．２１
文献标志码：Ａ
文章编号：２０９５．４２３９（２０１４）０２．１４６．１８
Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ
ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ
ａｓｐｅｃｔｓ
ｏｆ
ｌｉｔｈｉｕｍ
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（Ⅷ）——Ａ
ｎｏｄｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＬＵＯ
Ｆｅｉ，ＣＨＵ
Ｇｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ
Ｊｉｅ，ＳＵＮ
Ｙａｎｇ，ＬＩＨｏｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１００１９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ
ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ
ｆｒｏｍｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ
ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ
ｃｏｋｅｂａｓｅｄ
ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｂｙ
ＳＯＮＹｉｎ１９９１．Ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｐｌａｙ
ａ
ｋｅｙ
ｒｏｌｅｉｎｔｈｅ
ｐｒｏｇｒｅｓｓ
ｏｆ
ｌｉｔｈｉｕｍ
ｉｏｎ
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ。Ｕｐ
ｔｏ
ｎＯＷ，ｃａｒｂｏｎ．１ｉｔｈｉｕｍ
ｔｉｔａｎａｔｅａｎｄ
ａｌｌｏｙ
ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｈａｖｅ
ｂｅｅｎｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ．Ｌｉ．ｉｏｎ
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ｕｓｉｎｇ
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｃａｎ
ｍｏｒｅ
ｏｒ
１ｅｓｓ
ｍｅｅｔ
ｔｈｅ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
ｏｆ
ｃｏｎｓｕｍｅｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｖｅｈｉｃｌｅｓａｎｄ
ｌａｒｇｅ
ｓｃａｌｅ
ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｌｉｔｈｉｕｍ
ｔｉｔａｎａｔｅａｎｏｄｅｓ
ｗｈｅｒｅａｓｔｈｅ
ｕｓｅ
ｃａｎ
ｍｅｅｔ
ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｓｕｃｈ
ａｓ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｂｕｓｅｓ，
ｏｆ
ａｌｌｏｙ
ａｎｏｄｅｓ
ｃａｎ
ｆｕｒｔｈｅｒ
ｉｍｐｒｏｖｅ
ｔｈｅ
ｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙ
ｏｆＬｉ—ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ，
ｗｅ
ｓｕｍｍａｒｉｚｅ
ｂｒｉｅｆｌｙ
ｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｔｈａｔｈａｖｅｂｅｅｎ
ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ
ａｎｄ
ｗｉｄｅｌｙ
ｕｓｅｄ，ａｎｄ
ｄｉｓｃｕｓｓ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ
ｏｆ
ｎｅｘｔ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ａｎｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
１９７２年，知ｍａｎｄ等‘１１提出了摇椅式电池（ｒｏｃｋｉｎｇ
ｃｈａｉｒ
提出了ＬｉＭ０２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ）化合物用于正极
ｂａｔｔｅｒｙ）的概念，正负极材料采用嵌入化合物
材料，这些材料均为层状结构化合物，能够可逆地
嵌入和脱出Ｌｉ。１９８１年后大部分有关负极材料的研
究主要集中在含Ｌｉ源负极，如ＬｉＡｌ合金【ＺＪ、ＬｉＣ合
金‘３１、ＬｉｘＭ０６Ｓｅ６［４１、ＬｉＷ０２【５１、Ｌｉ６Ｆｅ２０３［６１等，这些
（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ
ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ），在充放电过程中，Ｌｉ＋在
正负极之间来回穿梭。寻找适合这一概念的正负极
材料经历了较长的时间。１９８１年，Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等
收稿日期：２０１４．０１－２４；修改稿日期：２０１４．０１—２７。
基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目（５１３２５２０６），国家重
点基础研究发展计划（９７３）项目（２０１２ＣＢ９３２９００）。
第一作者：罗飞（１９８７一），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池
硅负极材料，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｅｉｌｕ０１９８７＠１６３．ＣＯＩＴｔ通讯联系人：李泓，研究
员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｌｉ＠ｉｐ·ｈｙ．ａｃ．ｃｎ。
材料价格高、能量密度低、循环性能不稳定、难以
实用化。
石墨也具有层状结构，早在２０世纪５０年代就
已经合成Ｌｉ的石墨嵌入化合物【／Ｊ。１９７０年，Ｄｅｙ
等【８１发现Ｌｉ可以通过电化学方法在有机电解质溶液
万方数据
第２期
罗飞等：锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料
用成本低；⑩资源丰富。
１４７
中嵌入石墨，１９８３年法国ＩＮＰＧ实验室ｐ１第一次在
电化学电池中成功地实现了Ｌｉ在石墨中的可逆脱
嵌。２０世纪８０年代世界各地尤其在日本开展了碳
迄今为止，石墨类碳负极材料是能同时满足以
上要求的综合性能最好的负极材料，用途最为广
泛。开发新型负极材料面临的最大挑战是需要根据
应用需求寻找具有某项或多项突出优点，同时还能
兼顾其它综合性能的材料，而材料能否在电池中获
得应用取决于该材料最差的某项性能是否满足应
用的最低要求，这是典型的如图１所示的“木桶效
应”。由于这些相互制约的要求，过去２０多年，尽
负极材料的广泛研究。１９８９年，日本ＳＯＮＹ公司的
研究人员【９】终于寻找到了合适的正负极材料、电解
质材料的组合，申请了以ＬｉＣ００２作“源正极、石
油焦作负极、ＬｉＰＦ６溶于丙烯碳酸酯（ＰＣ）和乙烯
碳酸酯（ＥＣ）作电解液的二次锂电池体系的专利，
并在１９９１年开始商业化生产【Ｊ…。１９９３年后，商品
化的锂离子电池开始采用性能稳定的人造石墨（如
中间相炭微球ＭＣＭＢ、改性天然石墨）为负极材
料［１１－１３】。
由于这一可充放锂电池体系不含金属Ｌｉ，日本
学者西美绪（Ｎｉｃｈｉ）等就把此类摇椅式电池称之为
锂离子电池（１ｉｔｈｉｕｍ
ｉｏｎ
管数千种以上的负极材料获得了研究，但能够最终
获得商业应用的负极材料种类实际上非常少。
ｂａｋｅｒｙ），这种方便易懂的
电压
化学组成
微结构
提法最终被学术界和产业界接受。自从ＳＯＮＹ公司
商业化锂离子电池以来ｌｌ４。，锂离子电池产业迅猛发
展。目前，主要应用于手机、笔记本电脑、摄像机
库仑效率
循环特性
倍率特性
能量效率
表面组成与结构
颗粒尺寸与形状
组成与结构的均匀性
杂质含量
自放电
环境适应性
安全性
成本
等便携式设备【ｌ引，同时还涉及太阳能和风力发电储
能ｌｌ州、航空航天、军事、医疗等方面。目前，锂离
子电池正向电动汽车领域以及大规模工业储能系统
真实／振实／压实密度
力学特性
孔隙率、孔曲率
电导率、扩展系数、活
环境危害性
这两个重要的新兴领域发展【１７－２０］ｏ
与正极材料一样，负极材料在锂离子电池的发
展中也起着关键的作用。近年来，为了使锂离子电
池具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性
能以及可靠的安全性能，负极材料作为锂离子电池
的关键组成部分受到了广泛地关注。对负极材料的
选择应满足以下条件１２¨：①嵌脱Ｌｉ反应具有低的
Ｆｉｇ．１
图１电极材料开发过程中需要考虑的因素
Ｆａｃｔｏｒｓｏｆ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ
ａｎｄ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
１典型的锂离子电池负极材料
目前，商业化广泛使用的锂离子电池负极材料
氧化还原电位，以满足锂离子电池具有较高的输出
电压；②Ｌｉ嵌入脱出的过程中，电极电位变化较
小，这样有利于电池获得稳定的工作电压；③可逆
容量大，以满足锂离子电池具有高的能量密度；④
脱嵌Ｌｉ过程中结构稳定性好，以使电池具有较高的
循环寿命：⑤嵌“电位如果在１．２
ＶⅧ．Ｌｉ＋／Ｌｉ以
下，负极表面应能生成致密稳定的固体电解质膜
（ＳＥＩ），从而防止电解质在负极表面持续还原，不可
逆消耗来自正极的Ｌｉ；⑥具有比较低的ｅ和Ｌｉ＋的
主要分为以下两类：①六方或菱形层状结构的人造
石墨和天然改性石墨；②立方尖晶石结构的
Ｌｉ４Ｔｉ５０１２。其晶体结构如图２所示，结构参数、“
扩散系数及理论容量等见表ｌ。
ｏ［Ｌｉ。Ｔ
“徘岛
（ａ）石墨
峄罐铅炒。２敝
舻班》印‘
输运阻抗，以获得较高的充放电倍率和低温充放电
性能；⑦充放电后材料的化学稳定性好，以提高电
池的安全性、循环性，降低自放电率；⑧环境友好，
制造过程及电池废弃的过程不对环境造成严重污染
和毒害；⑨制备工艺简单，易于规模化，制造和使
｝如懈如。一６
（ｂ）Ｌｉ。Ｔｉ，Ｏ．２
图２商业化广泛使用的锂离子电池负极材料的结构
Ｆｉｇ．２
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｏｆｔｗｏ
ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ
ｎｅｇａｔｉｖｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
万方数据