负极材料在锂离子电池中的作用和产业现状

作为锂离子电池的四大关键材料（即正极材料、负极材料、隔膜、电解液）之一，负极材料是锂离子电池储存锂的主体，其作用是使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。它决定了电池的充放电效率、循环寿命等，占电池总成本的5%-15%左右。负极材料技术与市场较为成熟，当前锂离子电池采用的负极材料主要包括石墨（包括天然石墨、人工石墨）、硬碳（常见的有树脂碳、炭黑等）、软碳（常见的有焦炭、碳纤维等）、石墨烯、钛酸锂、硅基材料。目前，全球负极材料产业主要集中于中国和日本，占全球总产销的95%，并且产能不断向中国转移。2017年，中国负极材料出货量达到18万吨，增长率约为46%，占全球70%。

国内锂电池负极材料主要生产企业

石墨。由于在保证负极结构稳定性、防止锂电池能量衰减等方面作用较为明显，且经过多年发展，产业较为稳定，技术较为成熟，所以一直以来，锂离子电池负极材料基本上以石墨为主，其中天然石墨主要使用在3C消费电池领域，而人造石墨主要使用在动力电池领域。从发展趋势来看，石墨的能量密度上限在372mAh/g，相比于当前正极材料的能量密度还有很大的宽裕量，虽然还可以继续在锂电池领域获得大量应用，但其性能提升的幅度不大，生产企业较多，利润率较低，竞争较为激烈。

硬碳。具有循环性能好、比容量高于石墨类材料（400-600mAh/g）等优点，同时也存在首周效率低、压实密度低、低电位储锂倍率性能差、全电池满充电态易于析锂等问题，导致其在能量型锂离子电池中应用没有明显优势。但是硬碳材料电压曲线的斜坡段储锂的倍率性能较好，这段储锂的容量为200-300mAh/g，通过BMS控制，只使用斜坡段储锂，可以在高功率动力锂离子电池中获得应用。目前，日本企业在混合动力汽车动力电池中使用了硬碳材料。

软碳。石墨化程度较高，结构稳定，在倍率性能上高出天然石墨和人工石墨，被广泛用在航模、动力工具上。此外，它还具有热稳定性和化学稳定性等，这些特性决定了它不易发生化学反应，使用在锂电池上加大了安全保证。但是由于制作成本高，工艺复杂且容易被替代，因此其产销一直比较稳定，没有被过多的研发。(www.xing528.com)

石墨烯。由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，虽然容量高（约700-2000mAh/g）、质地薄、硬度大、热稳定性高、安全性好且电子移动速度快，但是如果将其用作锂电负极材料的话，则需要独立的上下游产业链、昂贵的价格以及复杂的工艺，导致其目前仍停留在“概念化”阶段。尽管如此，国内仍然有一些企业在砥砺前行，比如中国宝安、大富科技以及贝特瑞等知名企业已经开始布局石墨烯产业。

钛酸锂。具有循环寿命长(可达10000次以上)、安全性高、插锂电位高、充放电时热稳定性极高、可快速充电等优势，因此近年来，国内对钛酸锂的研发热情较高。目前，限制钛酸锂使用的主要因素是价格太高、克容量较低（170mAh/g左右）、导电性差，尤其是大电流放电极化比较严重，高倍率下性能不佳，应用存在较高的技术门槛。当前，其主要市场为适合高功率锂离子电池应用的领域。

硅基材料。理论克容量在4200mAh/g以上，高出石墨类负极材料10倍有余，虽然循环性能、倍率性能等都有待提高，体积膨胀问题也需要解决，但是其不可替代的高容量优势，预计今后一个时期，随着制备工艺和材料设计的不断改进，以及匹配黏结剂、导电添加剂、功能添加剂、集流体、电解质、正极材料的优化，硅基负极材料将会陆续地批量进入市场。目前，世界新能源汽车市场的领头者——特斯拉发布的Model 3就采用了硅碳负极作为动力电池材料。