1.石墨負(fù)極材料認(rèn)知01石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介02石墨負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)03石墨負(fù)極材料的改性01石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介一、石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介石墨根據(jù)其原料和加工工藝的區(qū)別，分為天然石墨和人造石墨，因其具有對(duì)鋰電位低、首次效率高、循環(huán)穩(wěn)定性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，石墨成為目前鋰離子電池應(yīng)用中理想的負(fù)極材料。SEM圖（A）人造石墨（B）天然石墨（A）（B）一、石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介從巖石中開(kāi)采出來(lái)的，根據(jù)其結(jié)晶度、晶粒尺寸、形態(tài)和儲(chǔ)備位置的不同，可以分為無(wú)定形、片狀（結(jié)晶）或塊狀和片狀（結(jié)晶）。天然石墨一、石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介指將無(wú)定形炭在高溫（＞2200℃）下熱處理一段時(shí)間，使其結(jié)構(gòu)向?qū)訝钍Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變得到的一種產(chǎn)物。人造石墨一、石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介石墨材料結(jié)構(gòu)特征六角網(wǎng)狀平面規(guī)則平行堆砌而成的層狀結(jié)構(gòu)晶體，屬于六方晶系，P63/mc空間群；每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道與三個(gè)相鄰的碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合；碳碳鍵鍵長(zhǎng)為0.1421nm；石墨晶體結(jié)構(gòu)示意圖六方形結(jié)構(gòu)菱形結(jié)構(gòu)一、石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介石墨材料結(jié)構(gòu)特征p軌道上電子形成離域π鍵，使得石墨層內(nèi)具有良好的導(dǎo)電性；相鄰層內(nèi)的碳原子并非以上下對(duì)齊方式堆積，而是有六方形結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。石墨晶體結(jié)構(gòu)示意圖六方形結(jié)構(gòu)菱形結(jié)構(gòu)一、石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介石墨的充放電過(guò)程是Li+嵌入石墨形成石墨嵌入化合物和從石墨層中脫出的過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)如下式：石墨嵌入化合物具有階現(xiàn)象，階數(shù)等于周期性嵌入的兩個(gè)相鄰嵌入層之間石墨層的層數(shù)，如1階LiC6、2階LiC12、3階LiC24和4階LiC36等化合物。在石墨的充電過(guò)程中，充電電壓逐漸降低，形成充電電壓階梯平臺(tái)，對(duì)應(yīng)高階化合物向低階化合物轉(zhuǎn)變。嵌滿(mǎn)鋰時(shí)形成的是1階化合物L(fēng)iC6，比容量為372mAh/g，這是石墨在常溫常壓下的理論最大值。02石墨負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)二、石墨負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高導(dǎo)電性比容量高成本低廉嵌鋰電位低循環(huán)穩(wěn)定性好石墨晶體結(jié)構(gòu)圖二、石墨負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)對(duì)電解液敏感，與電解液的相容性不好。石墨結(jié)構(gòu)在充放電過(guò)程中反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致石墨片層剝離。石墨晶體結(jié)構(gòu)圖二、石墨負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)石墨晶體結(jié)構(gòu)圖倍率性能較差。由于石墨的層間距小，Li+在石墨層間的擴(kuò)散速率低。首次充放電過(guò)程中不可逆容量損失較大。03石墨負(fù)極材料的改性三、石墨負(fù)極材料的改性為解決石墨負(fù)極材料上述缺點(diǎn)。目前，主要的改性方法為：01碳包覆02表面氧化03元素?fù)诫s三、石墨負(fù)極材料的改性有效降低石墨的不可逆容量；提高石墨材料的循環(huán)穩(wěn)定性；提髙石墨材料的振實(shí)密度，并降低其比表面積；提高鋰離子電池的熱穩(wěn)定性。碳包覆SEM圖碳包覆作用三、石墨負(fù)極材料的改性（1）改性后石墨表面形成了含氧官能團(tuán)，如羧基、醌基、羥基等，這有助于阻止溶劑化分子的共嵌入、改善電解液對(duì)石墨表面的潤(rùn)濕性，形成化學(xué)鍵合的SEI膜；表面氧化作用01提高可逆容量石墨結(jié)構(gòu)圖三、石墨負(fù)極材料的改性表面氧化作用01提高可逆容量石墨結(jié)構(gòu)圖（2）改性后石墨表面上存在大量的納米級(jí)孔洞，這增加了Li+的存儲(chǔ)位置。三、石墨負(fù)極材料的改性表面氧化作用02提高倍率性能原因通過(guò)強(qiáng)氧化劑處理石墨，能夠増大石墨的層間距，從而有利于Li+的脫嵌，提高倍率性能。三、石墨負(fù)極材料的改性摻雜改性是一種改善材料性能的有效手段，對(duì)于石墨負(fù)極材料，常用的摻雜元素包括硼(B)、氟(F)、氮(N)、磷(P)等，這些摻雜元素的引入往往能促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移并擴(kuò)大石墨層間距，從而達(dá)到提高石墨負(fù)極材料電化學(xué)性能的目的。元素?fù)诫s作用石墨摻雜結(jié)構(gòu)圖總結(jié)石墨負(fù)極材料石墨負(fù)極材料簡(jiǎn)介石墨負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)石墨負(fù)極材料的改性碳包覆表面氧化元素?fù)诫s2.硅/碳負(fù)極材料認(rèn)知01硅碳負(fù)極材料定義02硅碳負(fù)極材料的分類(lèi)03硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)04硅碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)05硅碳負(fù)極材料在鋰電池中的應(yīng)用硅/碳負(fù)極材料的認(rèn)知硅碳負(fù)極材料憑借其高理論比容量，成為了當(dāng)前鋰離子電池負(fù)極材料研究的熱點(diǎn)之一，被視為提升電池性能的關(guān)鍵材料。硅碳負(fù)極材料01硅碳負(fù)極材料定義一、硅碳負(fù)極材料定義硅碳負(fù)極材料是一種由硅（Si）和碳（C）組成的復(fù)合材料硅硅在自然界中儲(chǔ)量豐富，且具有極高的理論比容量，遠(yuǎn)高于目前廣泛應(yīng)用的石墨負(fù)極材料。碳碳材料則具有良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性以及相對(duì)較好的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)。02硅碳負(fù)極材料的分類(lèi)二、硅碳負(fù)極材料的分類(lèi)納米硅碳復(fù)合材料納米硅碳復(fù)合材料是將納米尺寸的硅顆粒均勻分散在碳基體中形成的。氧化亞硅碳復(fù)合材料氧化亞硅/碳復(fù)合材料以氧化亞硅為主要硅源，與碳材料復(fù)合而成，具有緩沖作用的結(jié)構(gòu)。03硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)三、硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（一）包覆結(jié)構(gòu)核殼型01核殼型包覆結(jié)構(gòu)是指碳層將不同納米結(jié)構(gòu)的硅材料包覆其中。蛋黃-殼型02蛋黃-殼型包覆結(jié)構(gòu)類(lèi)似核殼型，但在硅核與碳?xì)ぶg存在一定的內(nèi)部空隙。三、硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（一）包覆結(jié)構(gòu)多孔型03多孔型包覆結(jié)構(gòu)則是在碳包覆層上設(shè)置了多個(gè)孔隙。三、硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（二）分散結(jié)構(gòu)硅顆粒均勻分散在碳基體中的結(jié)構(gòu)形式01均勻分布分散結(jié)構(gòu)中，硅顆粒均勻分布，確保導(dǎo)電和支撐作用充分發(fā)揮，提高材料穩(wěn)定性。三、硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（二）分散結(jié)構(gòu)硅顆粒均勻分散在碳基體中的結(jié)構(gòu)形式02應(yīng)力均勻充放電時(shí)，硅顆粒體積變化應(yīng)力均勻分布，減少局部應(yīng)力集中，增強(qiáng)材料循環(huán)壽命。04硅碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)四、硅碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)高理論比容量豐富的原材料來(lái)源良好的導(dǎo)電性01020403環(huán)境友好四、硅碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)（二）缺點(diǎn)體積變化大硅充放電時(shí)體積變化巨大，導(dǎo)致硅碳負(fù)極材料循環(huán)壽命和性能受影響，雖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可緩解，但難以完全消除。四、硅碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)（二）缺點(diǎn)制備工藝復(fù)雜復(fù)雜的制備工藝不僅增加了生產(chǎn)成本，還限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)速度，阻礙了其在市場(chǎng)上的快速推廣應(yīng)用。05硅碳負(fù)極材料在鋰電池中的應(yīng)用五、硅碳負(fù)極材料在鋰電池中的應(yīng)用提升能量密度01將其應(yīng)用于鋰離子電池取代傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料，可顯著提高電池的能量密度。改善電池循環(huán)壽命02硅碳負(fù)極材料的應(yīng)用有望在不降低電池能量密度的前提下，提高這些設(shè)備電池的循環(huán)壽命，提升用戶(hù)體驗(yàn)。3.其他負(fù)極材料的認(rèn)知引入負(fù)極材料作為鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池的性能有著至關(guān)重要的影響，決定了電池的性能表現(xiàn)和適用范圍。負(fù)極材料碳素材料石墨軟碳硬碳非碳負(fù)極材料鋰金屬氮化物合金錫基材料硅基材料鈦酸鋰01鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料02硬碳負(fù)極材料03錫基負(fù)極材料01鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（一）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料介紹01鈦酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為L(zhǎng)i4Ti5O12；一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（一）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料介紹02鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在鋰離子的嵌入和脫出過(guò)程中能保持相對(duì)不變的體積。一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（二）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)在充放電循環(huán)中，晶體結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生明顯的體積變化，提高了電池的安全性，避免了電極材料粉化、脫落等安全隱患，有效保障了電池的穩(wěn)定運(yùn)行。出色的體積穩(wěn)定性一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（二）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)由于其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠經(jīng)受住大量的充放電循環(huán)而性能衰減極小，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過(guò)數(shù)千次的充放電循環(huán)后，仍能保持較高的容量保持率。優(yōu)異的循環(huán)壽命一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（二）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)具有較快的鋰離子擴(kuò)散速率，能夠在高電流密度下實(shí)現(xiàn)快速的充放電過(guò)程，可以在短時(shí)間內(nèi)充入或放出大量的電能，滿(mǎn)足了快速充放電設(shè)備的應(yīng)用需求。良好的倍率性能一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（二）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)相對(duì)較低的能量密度相較于一些其他負(fù)極材料，鈦酸鋰的理論比容量相對(duì)較低，僅為175mAh/g左右較高的成本制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要使用一些特定的原材料和工藝，導(dǎo)致了較高的生產(chǎn)成本一、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料（三）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）負(fù)極材料的應(yīng)用儲(chǔ)能電站領(lǐng)域01儲(chǔ)能電站要求電池具備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的充放電性能和高安全性，鈦酸鋰負(fù)極材料滿(mǎn)足要求，是實(shí)現(xiàn)可靠?jī)?chǔ)能的介質(zhì)。電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域02減少安全事故，降低電池更換頻率，提高車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)效率。02硬碳負(fù)極材料二、硬碳負(fù)極材料（一）硬碳負(fù)極材料介紹01硬碳的結(jié)構(gòu)硬碳是一種無(wú)定形碳材料，通過(guò)高溫?zé)峤夂记膀?qū)體得到；硬碳內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)序，含有大量微孔、介孔和納米孔洞，這些孔洞結(jié)構(gòu)使硬碳具有較大的比表面積。二、硬碳負(fù)極材料（一）硬碳負(fù)極材料介紹02硬碳的特點(diǎn)硬碳內(nèi)部豐富的孔洞結(jié)構(gòu)為其帶來(lái)了較大的比表面積，這一特點(diǎn)為鋰離子提供了更多的吸附和嵌入位點(diǎn)。二、硬碳負(fù)極材料（二）硬碳負(fù)極材料優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)硬碳理論比容量高，循環(huán)穩(wěn)定性好，原材料來(lái)源廣泛；較高的理論比容量；良好的循環(huán)穩(wěn)定性；豐富的原材料來(lái)源。二、硬碳負(fù)極材料（二）硬碳負(fù)極材料優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)硬碳首次庫(kù)侖效率低，電子導(dǎo)電性差；較低的首次庫(kù)侖效率影響電池實(shí)際可用容量，而較差的電子導(dǎo)電性增加電池內(nèi)阻，可能對(duì)充放電效率產(chǎn)生不利影響。二、硬碳負(fù)極材料（三）硬碳負(fù)極材料的應(yīng)用小型電子設(shè)備領(lǐng)域?qū)τ谝恍?duì)能量密度有一定要求、但對(duì)循環(huán)壽命和首次庫(kù)侖效率要求不是特別苛刻的小型電子設(shè)備。二、硬碳負(fù)極材料（三）硬碳負(fù)極材料的應(yīng)用混合負(fù)極材料應(yīng)用硬碳可以與其他負(fù)極材料（如石墨）進(jìn)行混合使用，通過(guò)發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)來(lái)改善電池的整體性能。03錫基負(fù)極材料三、錫基負(fù)極材料（一）錫基負(fù)極材料的介紹錫基負(fù)極材料IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII錫基負(fù)極材料主要包括錫（Sn）單質(zhì)、錫氧化物（如SnO、SnO?等）以及錫合金等。三、錫基負(fù)極材料（一）錫基負(fù)極材料的介紹錫單質(zhì)具有金屬晶體結(jié)構(gòu)，其原子以特定的排列方式構(gòu)成晶體。錫氧化物則具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，例如SnO?具有金紅石結(jié)構(gòu)，氧原子和錫原子按照一定規(guī)律排列形成穩(wěn)定的晶體骨架。三、錫基負(fù)極材料（一）錫基負(fù)極材料的介紹錫合金是由錫與其他金屬元素（如銅、鎳等）按照一定比例混合而成，其結(jié)構(gòu)會(huì)因合金成分的不同而有所變化。三、錫基負(fù)極材料（二）錫基負(fù)極材料優(yōu)缺點(diǎn)錫及其化合物（氧化物和合金）均具備較高的理論比容量，使它們?cè)阡囯x子電池中能夠存儲(chǔ)更多電能，有效提升電池能量密度。優(yōu)點(diǎn)較高的理論比容量三、錫基負(fù)極材料（二）錫基負(fù)極材料優(yōu)缺點(diǎn)錫作為金屬，具備良好的導(dǎo)電性，有利于促進(jìn)鋰離子嵌入和脫出過(guò)程中電子的快速傳遞，從而提升電池充放電效率，為高性能電池提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)良好的導(dǎo)電性三、錫基負(fù)極材料（二）錫基負(fù)極材料優(yōu)缺點(diǎn)錫在鋰離子嵌入和脫出時(shí)經(jīng)歷顯著的體積變化（約300%），易導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞和性能下降。缺點(diǎn)較大的體積變化三、錫基負(fù)極材料（三）錫基負(fù)極材料的應(yīng)用混合負(fù)極材料策略錫基材料因體積變化大、SEI膜不穩(wěn)定，常與其他穩(wěn)定負(fù)極材料混合使用，利用其高比容量提升電池性能，同時(shí)緩解體積變化問(wèn)題，優(yōu)化電池性能。三、錫基負(fù)極材料（三）錫基負(fù)極材料的應(yīng)用電池性能優(yōu)化研究領(lǐng)域科研人員正研究改進(jìn)錫基材料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電解液配方，以克服缺點(diǎn)，如制備納米結(jié)構(gòu)減少體積變化影響，調(diào)整電解液成分穩(wěn)定SEI膜，提升電池循環(huán)壽命與性能?？偨Y(jié)負(fù)極材料的重要性鋰離子電池的不斷發(fā)展離不開(kāi)負(fù)極材料的創(chuàng)新與優(yōu)化，鈦酸鋰、硬碳、錫基等負(fù)極材料各有獨(dú)特定義