锂电池是负极电池奥秘揭示，锂电池的能量库，负极材料介绍|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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。

总结：

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。

详解锂电池负极材料

一、负极材料类型

锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。负极材料是锂离子电池储存锂的主体，使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。锂电池充电时，正极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向负极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内负极表面电离成锂离子和电子，并在正极处合成锂原子。

负极材料主要影响锂电池的首次效率、循环性能等，负极材料的性能也直接影响锂电池的性能，负极材料占锂电池总成本5~15%左右。负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。从技术角度来看，未来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。随着技术的进步，目前的锂离子电池负极材料已经从单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。

二、负极材料的技术类型

负极材料主要分为以下三类：碳材料(石墨类)、金属氧化物材料以及合金材料，具体的各子类情况如下图所示。好的负极材料应该满足如下要求：比能量高、相对锂电极的电极电势低；充放电反应可逆性好；与电解液和粘结剂的兼容性好；比表面积小(<10m2/g)；振实密度高(>2.0g/cm3)；嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好；资源丰富、价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用等。

当前主要使用的负极材料是天然石墨和人造石墨，其中天然石墨主要使用在3C领域，而人造石墨主要使用在动力领域。传统石墨材料的能量密度上限在372mAh/g，较当前正极材料的能量密度还有相当的裕量。受未来能量密度以及动力电池高倍率放电的要求，尽管价格昂贵或技术尚不成熟，中间相碳微球(MCMB)、钛酸锂以及硅基负荷材料等高端负极材料逐渐进入到了对性能要求较全面且较高的电池负极材料应用中去。具体这几种高端负极与天然石墨及人造石墨材料的特性以及优缺点比较如下表所示。

三、市场状况

(一)产品结构

现阶段，石墨材料是负极材料的主流，未来石墨烯、钛酸锂、硅碳复合材料未来其良好发展前景。2015年全球锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相炭碳微球及钛酸锂、软碳与硬碳、非碳材料占比分别为55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，中国锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和钛酸锂占比分别为36%、53%、11%。

(二)负极材料年产量

高工产研锂电研究所(GGII)调研显示，2016年中国负极材料产量12.25万吨，同比增长68.27%。当前的增速主要由于：1)国内动力电池产量同比增长超过200%，带动负极材料的需求；2)中国数码市场增速虽放缓，但仍小幅增长；3)以贝特瑞为代表的企业保持一定比例的出口，虽整体出口占比下降，但总量增加。

四、发展趋势

(一)总体呈现高端化趋势

受动力电池带动，2016年国内负极材料的需求增长最快的是人造石墨，因为天然石墨主要运用数码产品及笔记本电脑上，人造石墨主要用在动力领域，再而人造石墨的均价高于天然石墨。此外，由于动力锂电对于高倍率放电下的稳定性要求很高，负极材料家族中又涌现出中间相碳微球(MCMB)、钛酸锂以及锡基硅基等材料，这些材料的造价远高于天然石墨和人造石墨。因此随着动力锂电未来的放量，锂电负极材料未来将呈现出一个高端化的趋势。锂离子电池负极将向着高能量密度、高倍率性能、高循环性能等方向发展，传统的天然石墨或是人造石墨将无法满足，这一切与针对各类材料的改性研究分不开。

对于石墨类负极，主要致力于解决石墨材料表面包覆盖性，增加与电解液的相容性，减少不可逆容量、增加倍率性能等；对于氧化物负极钛酸锂，主要研究如何对其进行掺杂，提高电子、离子的传导性；对于硅基锡基氧化物负极，循环的稳定性一直是材料改性研究的重点。

(二)高能量密度趋势

作为锂电池四大关键材料之一，负极材料决定了锂电池的性能，如充放电效率、循环寿命等等。常规石墨负极材料的倍率性能已经难以满足锂电池下游产品的需求。在动力电池方面，碳酸锂可能是新的发展方向；在消费类电子产品方面，需要提高电池的能量密度，以硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。

五、竞争格局

主要公司

1、深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司

企业简介：贝特瑞为中国宝安全资子公司，旗下拥有鸡西贝特瑞、鸡西长源矿业、山西贝特瑞、天津贝特瑞、惠州贝特瑞等子公司。主要客户涵盖三星、LG、日本松下、索尼、ATL、力神、比克、比亚迪、国轩等。负极材料产能30000吨/年。

2、上海杉杉科技有限公司

企业简介：上海杉杉是杉杉股份的全资子公司，拥有产品系列包括中间相、天然石墨、人造石墨、复合石墨、合金及硬炭等五大系列。石墨负极材料现有产能15000吨/年，在建产能3.5万吨。主要客户有LG、SONY、ATL、力神、比克、比亚迪、光宇等。

3、江西紫宸科技有限公司

公司简介：紫宸科技成立于2012年12月，是由上海璞泰来新材料技术有限公司、芜湖佳辉投资管理有限公司、上海符禺山投资管理有限公司、上海阔甬投资管理有限公司等共同出资，其中上海璞泰来新材料技术有限公司占主要51%股份。目前公司负极材料产能10000吨，其中容量型锂离子电池负极材料7240吨/年、综合型锂离子电池负极材料2620吨/年；倍率型锂离子电池负极材料140吨/年，未来规划总产能40000吨/年，主要客户是ATL。

4、江西正拓新能源科技股份有限公司

公司简介：公司成立于2008年，注册资本5000万元，产品以石墨为主，目前各类石墨材料年产能达3000吨左右，产品涵盖3C电池、动力电池、储能电池等，拥有先进的自动化生产设备，30余名专业人员研发团队，国家专利24项。目前，正拓新能源负极材料年产能7000吨左右，主要客户有深圳华粤宝、中山天贸、宁波维科、深圳比克等。

5、湖南星城石墨科技股份有限公司

企业简介：湖南星城石墨是当升科技、深圳市创新投资集团、原始创业者股东等注资兴建的现代化企业。2015年8月星城石墨正式在新三板股转系统做市。目前公司负极材料产能8000吨，到2015年10月产能将达到10000吨，主要客户有福斯特、比亚迪、苏州星恒、CATL等。

6、深圳市斯诺实业发展有限公司

公司简介：公司成立于2002年，注册资本3100万元，旗下有深圳市斯诺实业发展有限公司石墨材料分公司，深圳市斯诺实业发展有限公司宝安分公司等两家公司，目前主要从事锂离子电池负极材料(MAG)、改性石墨材料等的研发和生产，产能达到8000吨，主要客户有福斯特、迪凯特等。

7、天津锦美碳材科技发展有限公司

公司简介：公司成立于2007年，注册资本1110.00万元，产品主要是人造石墨负极材料。目前锦美碳材负极材料产能5000吨，主要客户有LG化学、凯丰电子、BAK、神鹿能源、捷威动力等。

8、湖南摩根海容新材料有限责任公司

公司简介：湖南摩根海容新材料有限责任公司成立于2004年，注册资本1600万元，2011年由英国碳素陶瓷材料生产商摩根坩埚公共有限公司控股，公司目前供应SKG、MGM、P-RC、CAP、EG、CMS等系列负极材料产品，目前负极材料产能3000吨左右，主要客户万向等。

9、湖州创亚动力电池材料有限公司

公司简介：公司成立于2009年，注册资本1500万元，主营锂电池负极材料和电解液材料。负极材料包括改性人造石墨、改性天然石墨、复合类石墨、中间相碳微球等四大种类产品。目前公司的负极材料产能5000吨左右，在建产能5000吨/年，未来总产能达10000吨/年，主要客户有光宇、比克等。

10、大连宏光锂业股份有限公司

公司简介：公司成立于2013年11月，是由大连丽昌新材料有限公司与辽宁弘光科技(集团)有限公司重组合并而成，主要产品包括天然石墨类、人造石墨类、复合石墨类、中间相类、动力材料类等，拥有大连和丹东两个生产基地，年产能3500吨(大连1500吨，丹东2000吨)，主要客户比亚迪和比克等。

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