第2章 负极材料

本章主要介绍用于锂离子电池的负极材料。提升锂离子电池的能量密度是研究者们一直以来的追求，可以通过采用高电位的正极或低电位的负极，或者增加正负极材料的储锂容量来实现。最早时锂离子电池采用金属锂作为负极材料。金属锂拥有最低的电极电势和最高的比容量，但是在使用过程中金属锂负极表面容易形成锂枝晶，增加了电池短路、燃爆的风险。随后，对碳基负极材料的研究逐渐增多，碳材料具有金属锂难以企及的安全性和循环性能。层状石墨材料的储锂机制是插层反应，在充放电过程中，锂离子在石墨层之间嵌入/脱出，石墨电极材料充放电体积变化小且有效避免了锂枝晶的生长。同时，为了实现负极的高比容量，对硅、锡等非碳基负极材料的研究也在进行中。

负极材料作为储锂的主体，在充放电的过程中进行锂离子的嵌入和脱出。在选择负极材料时应遵循以下几点：

1）嵌锂时的氧化还原电位应尽可能低，从而使其在和正极配对组装成电池后的输出电压高。

2）在锂离子的脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确保电极材料的结构稳定，提高电池的充放电可逆性和循环寿命。

3）锂离子尽可能多地嵌入到主体材料中，防止锂的沉积和锂枝晶的形成。

4）氧化还原电位随嵌入和脱出的锂离子数目的变化应该尽可能少，这样可保持平稳地充电和放电。

5）主体材料应有良好的电子电导率和离子电导率，以及较大的锂离子扩散系数，可以减少极化并进行大电流充放电。

6）应具有良好的热力学稳定性和化学稳定性，并且具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成固体电解质界面（Solid Electrolyte Interface，SEI）膜，在形成SEI膜后不与电解质等发生反应。

7）价格便宜、安全、无污染、资源丰富，制备工艺尽可能简单易行等。