锂离子电池负极材料介绍及合成方法

目前，锂离子电池所采用的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳（如

焦炭等）、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、

PAS、锡基氧化物、锡基氧化物、

锡合金，以及纳米负极材料等。作为锂离子电池负极材料要求具有以下性能：
   （1）锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低，接近金属锂的电位，
从而使电池的输出电压高；
   （2）在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱插以得到高容量密度，即可逆
的

x 值尽可能大；

   （3）在插入/脱插过程中，锂的插入和脱插应可逆且主体结构没有或很少发
生变化，这样尽可能大；
   （4）氧化还原电位随 x 的变化应该尽可能少，这样电池的电压不会发生显著
变化，可保持较平稳的充电和放电；
   （5）插入化合物应有较好的电导率和离子电导率，这样可减少极化并能进行
大电流充放电；
   （6）主体材料具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的 SEI 膜；
   （7）插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性，在形成 SEI 膜后
不与电解质等发生反应；
   （8）锂离子在主体材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电；
   （9）从实用角度而言，主体材料应该便宜，对环境无污染。

一、碳负极材料

碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面显示出较好的性能，并且碳材料

价廉、无毒，目前商品锂离子电池广泛采用碳负极材料。近年来随着对碳材料研
究工作的不断深入，已经发现通过对石墨和各类碳材料进行表面改性和结构调
整，或使石墨部分无序化，或在各类碳材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构
锂在其中的嵌入－脱嵌不但可以按化学计量

LiC6 进行，而且还可以有非化学计

量嵌入－脱嵌，其比容量大大增加，由

LiC6 的理论值 372mAh/g 提高到

700mAh/g～1000mAh/g，因此而使锂离子电池的比能量大大增加。

目前，已研究开发的锂离子电池负极材料主要有：石墨、石油焦、碳纤维、热

解炭、中间相沥青基炭微球（

MCMB）、炭黑、玻璃炭等，其中石墨和石油焦最

有应用价值。

石墨类碳材料的插锂特性是：（

1）插锂电位低且平坦，可为锂离子电池提

供高的、平稳的工作电压。大部分插锂容量分布在

0.00~0.20V 之间(vs. 

Li

+

/Li)；（2）插锂容量高，LiC

6

的理论容量为

372mAh.g

-1

;（3）与有机溶剂

相容能力差，易发生溶剂共插入，降低插锂性能。

石油焦类碳材料的插、脱锂的特性是：（

1）起始插锂过程没有明显的电位

平台出现；（

2）插层化合物 Li

x

C

6

的组成中，

x=0.5 左右，插锂容量与热处理

温度和表面状态有关；（

3）与溶剂相容性、循环性能好。

根据石墨化程度，一般碳负极材料分成石墨、软碳、硬碳。

1、石墨

石墨材料导电性好，结晶度较高具有良好的层状结构，适合锂的嵌入

-脱嵌，

形成锂

-石墨层间化合物，充放电容量可达 300mAh.g

-1

以上，充放电效率在

90%以上，不可逆容量低于 50mAh.g

-1

。锂在石墨中脱嵌反应在

0~0.25V 左

右，具有良好的充放电平台，可与提供锂源的正极材料钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂
等匹配，组成的电池平均输出电压高，是目前锂离子电池应用最多的负极材料。

石墨包括人工石墨和天然石墨两大类。

  （1）人工石墨
   人工石墨是将易石墨化炭（如沥青焦炭）在 N2 气氛中于 1900~2800℃经