中国粉体网讯 当前生态平衡、环境保护、能源危机等问题日益突出，新能源成为关注热点。开发低碳环保、安全稳定的新能源成为一种迫切需要，随着储能技术的发展，锂离子电池以其体积小、质量轻、工作电压高、循环寿命长、能量密度高、环境友好等优势，成为新能源领域快速发展的代表。
负极材料是决定锂离子电池性能的重要材料，开发高能量密度、长循环寿命和低成本的锂离子电池负极，对于加速锂离子电池的发展有重要意义。
主流负极材料石墨的应用已经接近理论比容量，提升空间有限。传统石墨虽好，却有点追赶不上负极奔跑的步伐。目前，负极材料研究的热点问题之一就是寻找高能量密度的替代材料，以满足迅速增长的特别是动力电池市场的高性能电池需求。
在寻找替代性材料的过程中，研究者尝试了多种不同的材料，这些负极材料的研发应用代表着人们对不同材料的探索，同时也反映了负极材料的发展趋势。
假如“负极”抛弃了它的传统旧爱——老baby“石墨”，谁会是锂离子电池负极的“下一任”，也许只有时间能告诉我们答案。那么当前研究的热点材料有哪些呢？
1、嵌入型负极
嵌入型负极材料是指材料结构中能够容纳锂离子，并且能在充放电过程中脱出外来的锂离子，恢复到先前的原始结构。嵌入型负极材料在充电过程中锂离子会插入电极材料层间距晶格中，不会引起基体体积的显著变化，循环稳定性较好。应用最广泛的石墨就是典型的嵌入型负极材料。
目前，研究较多的嵌入型负极材料有石墨烯、TiO2、钛酸锂、Li3VO4等。其中，石墨烯是由Sp2杂化的碳原子组成的二维材料，它有较好的电子传输能力和电化学稳定性，作为负极具有744mAhg-1的理论比容量。当前对于它的研究主要针对其成本高及储锂容量低等问题进行。TiO2具有良好的安全性、平稳的锂存储电压平台、稳定的充放电结构、制备方法简易、成本低等优点，其研究也受到了人们的广泛关注。
2、转化型负极
转化型负极材料是指不含锂金属氧化物作为负极时会发生氧化还原反应，放电时转化为氧化锂和金属单质，充电后又复原为氧化物，是一种能够通过可逆反应提供较高充放电容量的材料。热点材料有Fe3O4、Fe2O3、Co3O4、CuO、NiO等。
这类材料一般存在电子电导率和离子电导率不高的问题，并且在充放电过程中伴随着一定体积膨胀或收缩，易导致活性物质粉碎和脱落。但相较于其他负极材料，这类材料在电导率、体积、成本、材料可选择范围等方面仍具有优势。因此，也受到研究者的广泛关注。
目前，针对转化型负极材料存在的问题，研究者在材料优化和改性方面主要采用的方法有材料纳米化和复合导电碳。
3、合金型负极
合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经一定方法合成具有金属特性的物质，可以在电势差的驱动下进行脱嵌锂反应，锂原子从原始晶格中脱嵌形成新的混合固溶相。合金型负极材料在放电过程中与锂反应形成合金LixM，在充电过程中锂会被释放出来，实现可逆的电池循环。
合金型负极通常为元素周期表第四主族、第五主族、第六主族能与锂形成合金的单质，如Si、Sn、P、Ge、Zn、Al等。研究热点有硅基负极、锡基负极、磷基负极等。
合金型负极材料有着极高的理论容量，例如硅（Si）的理论比容量为4200mAhg-1，锡（Sn）的理论比容量为997mAhg-1，磷（P）的理论比容量为2596mAhg-1等。这类材料通常工作电位不会太低，可以有效地避免锂枝晶生长带来的安全隐患。但合金化和脱合金过程中体积变化很大，导致电极材料严重粉化，与集电体分离等问题，制约此类电极材料的实际应用。为了解决这些问题，研究者采用纳米化及形貌调控等方法来对其进行改善。
4、金属锂负极
金属锂负极是最早研究的锂离子电池负极，但由于其复杂性，过去的研究进展较慢，随着技术的进步，金属锂负极研究也在提升。
金属锂负极具有3860mAhg-1的理论比容量和-3.04V的超负电极电势，是一种具有极高能量密度的负极。但锂的高反应活性和充放电时不均匀的沉积、脱出过程，导致其循环过程中会粉化和锂枝晶生长，造成电池性能快速衰减。
针对金属锂的问题，研究者采取抑制锂负极枝晶生长的方法，提高其安全性和循环寿命，包括构筑人工固态电解质界面膜（SEI膜）、锂负极结构设计、电解液修饰等方法。
5、有机负极材料
石墨烯、TiO2、CoOx、FeOx、NiO、硅基负极、锡基负极、鳞基负极、金属锂负极等，这些被广泛研究的负极材料同属于无机负极材料。这些材料制备过程复杂，成本太高，难以回收利用，而且还可能产生环境污染。于是有的研究者将探索将方向从无机材料转向有机材料。
所谓有机材料主要由质量轻且成本低的C、H、O、N、S等元素组成，这类元素可以从生物或植物等可再生资源中获得，并且能够循环利用。这类材料在充放电过程中可以发生可逆的氧化还原反应，作为锂离子电池负极在反应过程中有多个电子参与，能够向外电路提供很高的充放电容量。
与无机材料相比，有机材料具有更柔软的机械性能，方便在柔性或可拉伸电池中应用。由于这类材料具有成本低、环境友好、结构可控和很高的电化学容量等优点，也受到研究者的关注。典型的材料有导电聚合物、金属有机框架化合物和有机小分子材料等。
以上是对负极材料研究的简要盘点，总之，“负极”的未来是光明的，谁会最终替代传统石墨俘获其“内心”，让我们拭目以待吧。
参考来源：
[1]汪杨.新型高容量锂离子电池负极材料的制备及性能研究
[2]彭盼盼.锂离子电池负极材料的研究进展
[3]刘琦.锂离子电池负极材料研究进展
（中国粉体网编辑整理/文正）
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