負(fù)極材料

一、負(fù)極材料類型

鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。負(fù)極材料是鋰離子電池儲(chǔ)存鋰的主體，使鋰離子在充放電過(guò)程中嵌入與脫出。鋰離子電池充電時(shí)，正極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)與電子合成鋰原子。放電時(shí)，鋰原子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面電離成鋰離子和電子，并在正極處合成鋰原子。

負(fù)極材料重要影響鋰離子電池的首次效率、循環(huán)性能等，負(fù)極材料的性能也直接影響鋰離子電池的性能，負(fù)極材料占鋰離子電池總成本5~15%左右。負(fù)極材料種類上，包括碳系負(fù)極、非碳性負(fù)極。從技術(shù)角度來(lái)看，未來(lái)鋰離子電池負(fù)極材料將會(huì)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前的鋰離子電池負(fù)極材料已經(jīng)從單一的人造石墨發(fā)展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主，軟碳/硬碳、無(wú)定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負(fù)極材料共存的局面。

二、負(fù)極材料的技術(shù)類型

負(fù)極材料重要分為以下三類：碳材料（石墨類）、金屬氧化物材料以及合金材料，具體的各子類情況如下圖所示。好的負(fù)極材料應(yīng)該滿足如下要求：比能量高、相對(duì)鋰電極的電極電勢(shì)低；充放電反應(yīng)可逆性好；與電解液和粘結(jié)劑的兼容性好；比表面積小（2.0g/cm3）；嵌鋰過(guò)程中尺寸和機(jī)械穩(wěn)定性好；資源豐富、價(jià)格低廉；在空氣中穩(wěn)定、無(wú)毒副用途等。

當(dāng)前重要使用的負(fù)極材料是天然石墨和人造石墨，其中天然石墨重要使用在3C領(lǐng)域，而人造石墨重要使用在動(dòng)力領(lǐng)域。傳統(tǒng)石墨材料的能量密度上限在372mAh/g，較當(dāng)前正極材料的能量密度還有相當(dāng)?shù)脑Ａ俊Ｊ芪磥?lái)能量密度以及動(dòng)力鋰電池高倍率放電的要求，盡管價(jià)格昂貴或技術(shù)尚不成熟，中間相碳微球（MCMB）、鈦酸鋰以及硅基負(fù)荷材料等高端負(fù)極材料逐漸進(jìn)入到了對(duì)性能要求較全面且較高的電池負(fù)極材料應(yīng)用中去。具體這幾種高端負(fù)極與天然石墨及人造石墨材料的特性以及優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表所示。

三、市場(chǎng)狀況

（一）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，石墨材料是負(fù)極材料的主流，未來(lái)石墨烯、鈦酸鋰、硅碳復(fù)合材料未來(lái)其良好發(fā)展前景。2015年全球鋰離子電池負(fù)極材料消費(fèi)結(jié)極來(lái)看，天然石墨、人造石墨、中間相炭碳微球及鈦酸鋰、軟碳與硬碳、非碳材料占比分別為55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，我國(guó)鋰離子電池負(fù)極材料消費(fèi)結(jié)極來(lái)看，天然石墨、人造石墨、中間相碳微球和鈦酸鋰占比分別為36%、53%、11%。

（二）負(fù)極材料年產(chǎn)量

高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)調(diào)研顯示，2016年我國(guó)負(fù)極材料產(chǎn)量12.25萬(wàn)噸，同比上升68.27%。當(dāng)前的增速重要由于：1)國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電池產(chǎn)量同比上升超過(guò)200%，帶動(dòng)負(fù)極材料的需求；2)我國(guó)數(shù)碼市場(chǎng)增速雖放緩，但仍小幅上升；3)以貝特瑞為代表的公司保持一定比例的出口，雖整體出口占比下降，但總量新增。

四、發(fā)展趨勢(shì)

（一）總體呈現(xiàn)高端化趨勢(shì)

受動(dòng)力鋰電池帶動(dòng)，2016年國(guó)內(nèi)負(fù)極材料的需求上升最快的是人造石墨，因?yàn)樘烊皇匾\(yùn)用數(shù)碼產(chǎn)品及筆記本電腦上，人造石墨重要用在動(dòng)力領(lǐng)域，再而人造石墨的均價(jià)高于天然石墨。此外，由于動(dòng)力鋰電關(guān)于高倍率放電下的穩(wěn)定性要求很高，負(fù)極材料家族中又涌現(xiàn)出中間相碳微球（MCMB）、鈦酸鋰以及錫基硅基等材料，這些材料的造價(jià)遠(yuǎn)高于天然石墨和人造石墨。因此隨著動(dòng)力鋰電未來(lái)的放量，鋰電負(fù)極材料未來(lái)將呈現(xiàn)出一個(gè)高端化的趨勢(shì)。鋰離子電池負(fù)極將向著高能量密度、高倍率性能、高循環(huán)性能等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的天然石墨或是人造石墨將無(wú)法滿足，這一切與針對(duì)各類材料的改性研究分不開(kāi)。

關(guān)于石墨類負(fù)極，重要致力于解決石墨材料表面包覆蓋性，新增與電解液的相容性，減少不可逆容量、新增倍率性能等；關(guān)于氧化物負(fù)極鈦酸鋰，重要研究如何對(duì)其進(jìn)行摻雜，提高電子、離子的傳導(dǎo)性；關(guān)于硅基錫基氧化物負(fù)極，循環(huán)的穩(wěn)定性一直是材料改性研究的重點(diǎn)。

（二）高能量密度趨勢(shì)

作為鋰離子電池四大關(guān)鍵材料之一，負(fù)極材料決定了鋰離子電池的性能，如充放電效率、循環(huán)壽命等等。常規(guī)石墨負(fù)極材料的倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰離子電池下游產(chǎn)品的需求。在動(dòng)力鋰電池方面，碳酸鋰可能是新的發(fā)展方向;在消費(fèi)類電子產(chǎn)品方面，要提高電池的能量密度，以硅-碳（Si-C）復(fù)合材料為代表的新型高容量負(fù)極材料是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。