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【技術(shù)】5大類(lèi)負(fù)極活性材料優(yōu)缺點(diǎn)及改性方法
鋰離子電池具有小尺寸、輕量化、循環(huán)壽命長(zhǎng)和環(huán)保等一系列優(yōu)異特征，在電子、電氣及新能源汽車(chē)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。負(fù)極活性材料是鋰離子電池的關(guān)鍵組件，決定了電池的電化學(xué)性能和安全性，傳統(tǒng)石墨負(fù)極的容量已無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)更高能量密度和更長(zhǎng)循環(huán)壽命鋰離子電池的需求，，因此，改造傳統(tǒng)碳基化合物材料及開(kāi)發(fā)高性能的新型負(fù)極活性材料勢(shì)在必行。
目前，有潛力與石墨進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的五大負(fù)極活性材料，分別是碳基化合物、硅基化合物、鈦基化合物、合金材料和過(guò)渡金屬化合物。每一種類(lèi)別的負(fù)極材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但通過(guò)有效的改性方法如納米化、復(fù)合化、摻雜及表面處理等可以彌補(bǔ)自身的劣勢(shì)。
碳基化合物是被最先應(yīng)用于鋰離子電池的負(fù)極活性材料，具有普適性、經(jīng)濟(jì)性和利于鋰離子嵌入的層狀結(jié)構(gòu)等特性。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，碳基化合物分為易石墨化碳（軟碳）、難石墨化碳（硬碳）和石墨3類(lèi)。其中軟碳和硬碳的主要區(qū)別是能否在2500℃以上的高溫下被石墨化。
軟碳一般有3種結(jié)構(gòu)：無(wú)定形結(jié)構(gòu)、石墨結(jié)構(gòu)和湍層無(wú)序結(jié)構(gòu)，其中鋰嵌入量：無(wú)定形＞石墨>湍層無(wú)序。軟碳擁有小晶粒尺寸和低結(jié)晶度等特點(diǎn)，與電解液相容性好，但由于其輸出電壓較低且沒(méi)有明顯的放電平臺(tái)，因此通常不直接作為負(fù)極活性材料，而是用來(lái)制造人造石墨，或者對(duì)合金材料和天然石墨進(jìn)行包覆、摻雜等改性應(yīng)用。
硬碳的優(yōu)點(diǎn)主要在放電容量、首次充放電效率及電位平穩(wěn)性方面。常見(jiàn)的硬碳有樹(shù)脂碳（如酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂）、炭黑、生物質(zhì)碳和有機(jī)聚合物熱解碳等。硬碳循環(huán)性能穩(wěn)定，近年來(lái)對(duì)硬碳的研究多聚焦于碳源選擇和表面處理工藝等。Hou等人通過(guò)環(huán)保稻殼制備出多孔硬碳材料，其在0.2C的電流密度下循環(huán)100次后，充電比容量仍可達(dá)到679.9mAh·g-1。
天然石墨在自然界中有兩種形態(tài)，一種是土狀石墨又叫微晶石墨，另外一種是形似魚(yú)鱗外表的鱗片石墨。微晶石墨的石墨化程度一般小于93%，且內(nèi)含一定雜質(zhì)及缺陷，被用作負(fù)極材料時(shí)往往可逆容量較低，通過(guò)表面包覆或復(fù)合的方法可對(duì)其進(jìn)行改性。鱗片石墨結(jié)晶完整，片層結(jié)構(gòu)單元化大，放電電位低且放電過(guò)程十分平穩(wěn)，更適合作為鋰電池負(fù)極活性材料。
人造石墨通常是由針狀焦、碳纖維及中間相碳微球（MCMB）等軟碳材料經(jīng)過(guò)高溫絕氧石墨化加工而成。人造石墨相較天然石墨而言，放電電容、充放電效率及平穩(wěn)性能更加均衡，是目前國(guó)內(nèi)用量最多的負(fù)極活性材料。研究表明，將石墨進(jìn)行納米化處理，能夠有效提高鋰電池容量和充放電性能，因?yàn)榧{米材料可以縮短鋰離子的運(yùn)動(dòng)路徑，鋰離子可以更快速地在其中進(jìn)行嵌入和脫出，從而加快了鋰電池充放電速度。同時(shí)，納米材料擁有更高的表面張力和比表面積，進(jìn)而拓寬了鋰離子的存儲(chǔ)空間，將石墨納米化處理可衍生出不同維度的碳納米材料。
硅已被證明是極具潛力的新型鋰離子電池負(fù)極活性材料。硅負(fù)極擁有眾多優(yōu)點(diǎn)：
①自然界儲(chǔ)量豐富（在地殼中含量?jī)H次于排名第一的氧元素），成本低廉；
②兼具超大的理論質(zhì)量比容量（4200mAh/g）和體積比容量（9786mA·h/cm3）；
③低工作電壓平臺(tái)（＜0.4V），足以抑制鋰離子在充放電過(guò)程中析出并形成枝晶，保障了電池的安全性；
④在低溫下的性能表現(xiàn)優(yōu)于石墨。
劉經(jīng)理