本文系基于公开资料撰写，仅作为信息交流之用，不构成任何投资建议。

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01负极江湖主流门派

概述

锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成。负极材料，是电池充电过程中锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放作用。

在电池成本中，负极材料约占5%-15%。

公开资料显示，截至年底，新能源汽车的成本中，动力电池占42%，电机10%，电控11%，电驱零部件7%，整车其他部件30%。动力电池所占的42%中，正极17%，负极6%（占动力电池的14%），电解液6%，隔膜13%。

图：三元锂电池材料成本占比。来源：北极星电力网

目前，全球锂电池负极材料以天然/人造石墨为主，新型负极材料如中间相炭微球（MCMB）、钛酸锂、硅基负极、HC/SC、金属锂在快速增长中。

作为锂离子嵌入的载体，负极材料满足工业级乃至车规级要求，需达成以下一长串条件：

√锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低，从而使电池的输入电压高；

√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；

√在插入/脱嵌过程中，负极主体结构尽量少发生变化；

√氧化还原电位随锂离子的插入脱出变化应该尽可能少，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平稳的充电和放电；

√插入化合物应有较好的的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化并能进行大电流充放电；

√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；

√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；

√锂离子在主体材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电；

√材料应具有较好的经济性以及对环境的友好性。

分类

①石墨类负极

石墨，英文名graphite，质软、有滑腻感，是一种非金属矿物质，具有耐高温、耐氧化、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电性能强等物理、化学性能。

石墨是目前广泛应用的负极材料，但石墨也有很多不足之处。比如石墨的低电位，与电解质形成界面膜，并且容易造成析锂；离子迁移速度慢，故而充放电倍率较低；层状结构的石墨在锂离子插入和脱嵌的过程中会发生约10%的形变，影响电池的循环寿命。

图：负极材料之石墨粉。来源：网络

②非石墨类负极

非石墨类负极主要是软碳和硬碳。硬碳（hardcarbon），亦名：难石墨化碳，是高分子聚合物的热解碳,这类碳在℃的高温也难以石墨化。硬碳有树脂碳、有机聚合物热解碳(PVA,PVC,PVDF,PAN等)、碳黑(乙炔quē黑)。硬碳有利于锂的嵌入而不会引起结构显著膨胀,具有很好的充放电循环性能。

硬碳容量大于常规碳类材料的理论容量，高倍率、循环性能、安全性能优，但是首效低，大概85%，电压平台3.6V，低于石墨的3.7V，成本高。改进思路主要是提高首效（降低比表面积，形成更规则的硬碳；表面包覆，控制SEI形成）；提高材料收率（化学工业生产中，投入单位数量原料获得的实际产品产量与理论产品产量的比值），降低成本。

图：负极材料之硬碳。来源：网络

③钛酸锂负极材料

与石墨负极相比，钛酸锂具有更高的嵌锂电位，可有效避免金属锂的析出和锂枝晶的形成。钛酸锂具有远高于石墨的热力学稳定性，不易引起电池的热失控，从而具有更高的安全性。

同时，钛酸锂在锂离子嵌入、脱出的过程中，晶体结构能够保持高度的稳定性，具有极为优良的循环稳定性。此外，钛酸锂还具有优异的低温性能，快速充电能力，较高的性价比，因而在大规模储能等领域具有较好的应用前景。

但钛酸锂的电子和离子电导率低，极大限制了其在大电流充放电条件下的倍率性能。以钛酸锂为负极的锂离子电池在充放电循环和存储过程中，普遍存在“胀气”现象，即电池内部不断产生气体，特别是在高温条件下，胀气更为严重。

图：负极材料之钛酸锂。来源：网络

④硅基负极材料

硅是目前发现的理论克容量最高的负极材料。硅的理论容量高达mAh/g，超过石墨mAh/g十倍以上，充一次电将实现公里以上续航。

硅的电压平台比石墨高，充电时候析锂的可能性小，安全性能上较石墨有很大的优势。

从硅的来源来看，硅是地壳中丰度最高的元素之一，来源广泛，价格便宜。

硅的充放电机理和石墨的充放电机理有所不同，石墨是锂的嵌入和脱嵌，硅则是合金化反应。

硅的最大的缺陷是体积膨胀。在充放电过程中，硅的脱嵌锂反应将伴随大的体积变化（＞%），造成材料结构破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减，循环性能恶化。由于剧烈的体积效应，硅表面的SEI膜处于破坏-重构的动态过程中，会造成持续的锂离子消耗，进一步影响循环性能。

因为体积膨胀，限制了硅的现阶段商业化应用。现在解决硅充放电膨胀的方法有纳米硅、多孔硅、硅基复合材料。其中硅、碳复合材料是一个重要研究方向，包括包覆型、嵌入型和分散型。

图：硅/碳负极材料产业链。来源：新材料在线

纳米硅，通过制备成纳米线，使得所有的硅得到利用，并预留膨胀空间，可有效改善循环性能。但是该方法成本较高，工艺制程复杂，制备难度较大。

多孔硅，通过预留硅膨胀空间，改善循环性能。但压实密度较小，工艺流程复杂，制备困难。

硅/碳复合材料，主要是碳包覆，虽然预留了膨胀空间，改善了循环性能，但是压实密度小，工业化难度大。

此处特别指出的是，今年一月份，广汽集团（SH：/HK：）曾对外发布卫星：“石墨烯电池”将于今年9月量产。该消息引爆市场同时引发社会广泛

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