电池奥秘揭示，锂电池的能量库，负极材料介绍
文/桃李
电池其实大家都很熟悉的，日常的很多电子设备都会用到它，你或许不知道电池的内部长什么样，也许不知道电池工作的原理，但是一定知道电池有正极和负极之分，使用时如果将正极和负极的位置放错了，电子设备就不能正常的工作，这一点在新能源电动汽车上也是也有的。
上次我们说到过动力电池的正极部分，它是电池中最重要的一个部分，其成本占单个电池总成本的50%以上。相比较而言，电池的负极似乎不太被注意到，在成本上，它只占单个电池总成本的5%—15%，那么与正极相对的负极在电池中有什么用呢？它真的没有正极重要吗？
首先我们可以明确地说，电池的负极与正极一样重要，成本上的差异主要是因为材料的不同导致的，这并不能作为衡量正负极重要程度的标准。锂电池的负极是由活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。在电池充放电过程中，负极材料作为锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。
这里我们简单说明一下电池的正负极如何工作。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。
关于负极材料的选择，需要满足以下的要求，比如在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱嵌以得到高容量，而在插入/脱嵌过程中，负极主体结构没有或很少发生变化；另外主体材料具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的SEI，并且插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性，在形成SEI后不与电解质等发生反应等。
目前负极材料主要可以分为两大类，一类是以石墨为代表的碳素材料，另一类则是以硅基材料为代表的非碳负极材料，之所以说它们俩是代表，原因在于前者是当前负极材料的主流选择，而后者是负极材料未来发展的一个重要方向，两种材料各有优劣。
石墨类负极材料的工艺较为成熟，其理论容量为372mAh/g，而且其来源丰富，具有综合性能较好、性价比高等优势，是当前动力电池市场的普遍选择。石墨分为天然石墨和人造石墨，在不断地竞争中，人造石墨由于优异的性能，在加工过程中可提高和增加锂离子电池的快充性能和循环寿命，近年来逐渐成为负极材料市场主流。2021年上半年，人造石墨出货量达到28.5万吨，占负极材料总量的84.9%。
不过石墨的缺点也很多，比如克容量较低，不太能满足动力电池的需求，而且如果纯度不够，副反应较多。其次层状结构稳定性有待提高，倍率性能不好，充放电平台过低。
相比于石墨，作为新型负极材料，硅基负极最大的优势在于拥有更高的能量密度上限，硅基负极材料中的硅和锂发生合金化反应，最大克容量为4200毫安/克，是石墨的10倍以上。而这与广大车企追求更高能量、更大续航里程的目标相符合，是目前研究的一个重点方向。
目前硅基负极材料的主要缺陷在于成本较高，另外其体积膨胀可达300%，这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络，导致活性物质损失，从而严重影响硅负极材料的循环性能，这些都是制约其市场需求上升的重要因素。不过随着研究的进一步深入，以及技术水平的提高，未来应该会有更大的发展空间。
负极材料作为锂离子电池的四大关键技术之一，它与正极材料有着同样重要的作用，包括动力电池的每一个部分其实都是有其存在的作用的，我们不能单从其成本占比来考虑。
干货｜锂电池为何负极用铜箔，正极用铝箔
私信“锂电”二字（不是评论），即可领取10.99G锂电行业精华版资料！
来源：材料匠
对于锂离子电池来说，通常使用的正极集流体是铝箔，负极集流体是铜箔，为了保证集流体在电池内部稳定性，二者纯度都要求在98%以上 。随着锂电技术的不断发展，无论是用于数码产品的锂电池还是电动汽车的电池，我们都希望电池的能量密度尽量高，电池的重量越来越轻，而在集流体这块最主要就是降低集流体的厚度和重量，从直观上来减少电池的体积和重量。
锂离子电池的正极为什么用铝箔，而负极用铜箔，原因有以下三点：
一是铜铝箔导电性好，质地软，价格便宜 。我们都知道，锂电池工作原理是将化学能转化为电能的一种电化学装置，那么在这个过程中，我们需要一种介质把化学能转化的电能传递出来，这里就需要导电的材料。而在普通材料中，金属材料是导电性最好的材料而在金属材料里价格便宜导电性又好的就是铜箔和铝箔。同时，在锂电池中，我们主要有卷绕和叠片两种加工方式。相对于卷绕来说，需要用于制备电池的极片具有一定的柔软性，才能保证极片在卷绕时不发生脆断等问题，而金属材料中，铜铝箔也是质地较软的金属。最后就是考虑电池制备成本，相对来说，铜铝箔价格相对便宜，世界上铜和铝元素资源丰富。
二是铜铝箔在空气中也相对比较稳定 。铝很容易跟空气中的氧气发生化学反应，在铝表面层生成一层致密的氧化膜，阻止铝的进一步反应，而这层很薄的氧化膜在电解液中对铝也有一定的保护作用。铜在空气中本身比较稳定，在干燥的空气中基本不反应。
三是锂电池正负极电位决定正极用铝箔，负极用铜箔，而非反过来 。正极电位高，铜箔在高电位下很容易被氧化，而铝的氧化电位高，且铝箔表层有致密的氧化膜，对内部的铝也有较好的保护作用。采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结)，也相对常见比较廉价，同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。
一、金属铝的晶格八面体空隙大小与Li 大小相近，极易与Li形成金属间隙化合物，Li 和Al不仅形成了化学式为LiAl的合金，还有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。 由于金属Al与Li 反应的高活泼性，使金属Al消耗了大量的Li ，本身的结构和形态也遭到破坏，故不能作为锂离子电池负极的集流体；而Cu在电池充放电过程中，只有很少的嵌锂容量，并且保持了结构和电化学性能的稳定，可作为锂离子电池负极的集流体；Cu箔在3.75V时，极化电流开始显著增大，并且呈直线上升，氧化加剧，表明Cu在此电位下开始不稳定；而铝箔在整个极化电位区间，极化电流较小，并且恒定，没有观察到明显腐蚀现象的发生，保持了电化学性能的稳定。由于在锂离子电池正极电位区间， Al的嵌锂容量较小，并且能够保持电化学稳定，适合作锂离子电池的正极集流体。
二、铜/镍表面氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚，阻抗较大；而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体，氧化层不能导电， 但由于其很薄，通过隧道效应实现电子电导，若氧化层较厚，铝箔导电性级差，甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗，一方面洗去油污，同时可除去厚氧化层。
三、正极电位高，铝薄氧化层非常致密，可防止集流体氧化。 而铜/镍箔氧化层较疏松些，为防止其氧化，电位比较低较好，同时Li难与Cu/镍在低电位下形成嵌锂合金，但是若铜/镍表面大量氧化，在稍高电位下Li会与氧化铜/镍发生嵌锂发应。而铝箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。
四、集流体要求成分纯。 Al的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀，更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金。
锂电用铜铝箔厚度要求
随着近些年锂电迅猛发展，锂电池用集流体发展也很快。 正极铝箔由前几年的16um降低到14um，再到12um，现在已经不少电池生产厂家已经量产使用10um的铝箔，甚至用到8um。而负极用铜箔，由于本身铜箔柔韧性较好，其厚度由之前12um降低到10um，再到8um，到目前有很大部分电池厂家量产用6um，以及部分厂家正在开发的5um/4um都是有可能使用的。由于锂电池对于使用的铜铝箔纯度要求高，材料的密度基本在同一水平，随着开发厚度的降低，其面密度也相应降低，电池的重量自然也是越来越小，符合我们对于锂电池的需求。
锂电用铜铝箔表面粗糙度要求:
对于集流体，除了其厚度重量对锂电池有影响外，集流体表面性能对电池的生产及性能也有较大的影响。 尤其是负极集流体，由于制备技术的缺陷，市场上的铜箔以单面毛、双面毛、双面粗化品种为主。这种两面结构不对称导致负极两面涂层接触电阻不对称，进而使两面负极容量不能均匀释放；同时，两面不对称也引发负极涂层粘结强度不一致，是的两面负极涂层充放电循环寿命严重失衡，进而加快电池容量的衰减。
来源：材料匠
私信“锂电”二字（不是评论），即可领取10.99G锂电行业精华版资料！
相关问答
锂电池负极 是什么原因锂离子电池负极重要性体现在哪里?锂离子电池的输出电压等于其正极电压和负极电压的差值,所以,锂离子电池负极的脱嵌锂电压决定了电池的输出电压(至少一半),...
在 电池 中它是正极还是 负极 ?理由是什么?2. 锂电池 必须采用沸...[最佳回答]锂是金属反应后呈正价说明是失去电子电子离开方向是电流逆方向所以它是正极锂有3个原子因为靠近原子核引力大所以反映条件要...锂是金属反...
锂电池 组保护板充电 负极 能不能当放电 负极 用?锂电池组保护板充电负极不能当放电负极用,遇到大电流时会烧坏部件。锂电池组保护板充电负极不能当放电负极用,遇到大电流时会烧坏部件。
锂和铍单质及化合物的性质具有特殊性.I.石墨可以用作 锂电池 ...[最佳回答](1)在周期表中元素锂在铍的右边,根据元素周期律在同周期中从左向右电负性依次增大,锂的电负性小于铍,故答案为:<;(2)Co是27号元素,在第四周...
锂电池负极 材料，用电量?负极材料,是电池在充电过程中,锂离子和电子的载体,起着能量的储存与释放的作用。在电池成本中,负极材料约占了5%-15%,是锂离子电池的重要原材料之一。目前,...
锂电池 的电解质是什么 – 960化工网问答锂电池的电解质是什么网友1最佳答案回答者:网友电池是一种能量转化与储存的装置。它通过反应将化学能或物理能转化为电能。电池即一种化学电源,它由两种...
锂离子 电池 都有三根线,除了正 负极 外,剩余的那根线是干什么用的?分别是黑，红，蓝?剩余的是检测。有的接的内部保护板上的NTC热敏电阻。检测电池温度。有的是接的保护板芯片。检测电池实时容量。剩余的是检测。有的接的内部保护板上的NTC热敏...
锂电 负极 材料?答:锂电池负极材料按照所用活性物质,可分为碳材和非碳材两大类:1.碳系材料包括石墨材料(天然石墨、人造石墨以及中间相碳位球)与其它碳系(硬碳、软...答:锂...
电芯为什么要 负极 包裹正极?因为比如一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达负...
mcmb作为 负极 的优势?在动力电池的应用方面,在性能更好、价格更低的负极材料出现以前,MCMB仍然是目前研究比较多的负极材料之一.MCMB用作锂离子负极材料处理除了具有石墨类炭负极的...
