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【技术】5大类负极活性材料优缺点及改性方法
锂离子电池具有小尺寸、轻量化、循环寿命长和环保等一系列优异特征，在电子、电气及新能源汽车领域获得了广泛应用。负极活性材料是锂离子电池的关键组件，决定了电池的电化学性能和安全性，传统石墨负极的容量已无法满足未来更高能量密度和更长循环寿命锂离子电池的需求，，因此，改造传统碳基化合物材料及开发高性能的新型负极活性材料势在必行。
目前，有潜力与石墨进行竞争的五大负极活性材料，分别是碳基化合物、硅基化合物、钛基化合物、合金材料和过渡金属化合物。每一种类别的负极材料都有各自的优缺点，但通过有效的改性方法如纳米化、复合化、掺杂及表面处理等可以弥补自身的劣势。
碳基化合物是被最先应用于锂离子电池的负极活性材料，具有普适性、经济性和利于锂离子嵌入的层状结构等特性。根据其结构特征，碳基化合物分为易石墨化碳（软碳）、难石墨化碳（硬碳）和石墨3类。其中软碳和硬碳的主要区别是能否在2500℃以上的高温下被石墨化。
软碳一般有3种结构：无定形结构、石墨结构和湍层无序结构，其中锂嵌入量：无定形＞石墨>湍层无序。软碳拥有小晶粒尺寸和低结晶度等特点，与电解液相容性好，但由于其输出电压较低且没有明显的放电平台，因此通常不直接作为负极活性材料，而是用来制造人造石墨，或者对合金材料和天然石墨进行包覆、掺杂等改性应用。
硬碳的优点主要在放电容量、首次充放电效率及电位平稳性方面。常见的硬碳有树脂碳（如酚醛树脂和环氧树脂）、炭黑、生物质碳和有机聚合物热解碳等。硬碳循环性能稳定，近年来对硬碳的研究多聚焦于碳源选择和表面处理工艺等。Hou等人通过环保稻壳制备出多孔硬碳材料，其在0.2C的电流密度下循环100次后，充电比容量仍可达到679.9mAh·g-1。
天然石墨在自然界中有两种形态，一种是土状石墨又叫微晶石墨，另外一种是形似鱼鳞外表的鳞片石墨。微晶石墨的石墨化程度一般小于93%，且内含一定杂质及缺陷，被用作负极材料时往往可逆容量较低，通过表面包覆或复合的方法可对其进行改性。鳞片石墨结晶完整，片层结构单元化大，放电电位低且放电过程十分平稳，更适合作为锂电池负极活性材料。
人造石墨通常是由针状焦、碳纤维及中间相碳微球（MCMB）等软碳材料经过高温绝氧石墨化加工而成。人造石墨相较天然石墨而言，放电电容、充放电效率及平稳性能更加均衡，是目前国内用量最多的负极活性材料。研究表明，将石墨进行纳米化处理，能够有效提高锂电池容量和充放电性能，因为纳米材料可以缩短锂离子的运动路径，锂离子可以更快速地在其中进行嵌入和脱出，从而加快了锂电池充放电速度。同时，纳米材料拥有更高的表面张力和比表面积，进而拓宽了锂离子的存储空间，将石墨纳米化处理可衍生出不同维度的碳纳米材料。
硅已被证明是极具潜力的新型锂离子电池负极活性材料。硅负极拥有众多优点：
①自然界储量丰富（在地壳中含量仅次于排名第一的氧元素），成本低廉；
②兼具超大的理论质量比容量（4200mAh/g）和体积比容量（9786mA·h/cm3）；
③低工作电压平台（＜0.4V），足以抑制锂离子在充放电过程中析出并形成枝晶，保障了电池的安全性；
刘经理