鋰離子電池負極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的重要因素之一，鋰離子電池的正極材料、負極材料、電解質(zhì)、隔膜被稱為鋰離子電池的四個最核心材料。下面我們簡單介紹一下各類負極材料的性能指標、優(yōu)缺點及可能的改進方向。

碳納米管

碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時極化用途較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

然而，碳納米管直接作為鋰離子電池負極材料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問題。如Ng等采用簡單的過濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。

碳納米管負極料

碳納米管在負極中的另一個應(yīng)用是與其他負極材料（石墨類、鈦酸鋰、錫基、硅基等）復(fù)合，利用其獨特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點作為載體改善其他負極材料的電性能。如郭等采用化學(xué)氣相沉積法，在膨脹石墨的孔洞中原位生長碳納米管，合成了膨脹石墨/碳納米管復(fù)合材料，其首次可逆容量為443mAh/g，以1C倍率充放電循環(huán)50次后，可逆容量仍可達到259mAh/g。碳納米管的中空結(jié)構(gòu)及膨脹石墨的孔洞，供應(yīng)了大量的鋰活性位，而且這種結(jié)構(gòu)能緩沖材料在充放電過程中出現(xiàn)的體積效應(yīng)。

石墨烯

2004年英國Manchester大學(xué)研究者首次發(fā)現(xiàn)石墨烯材料，并獲得諾貝爾獎。石墨烯是一種由碳六元環(huán)形成的新型碳材料,具有很多優(yōu)異的性能，如大比表面（約2600m2g-1）、高導(dǎo)熱系數(shù)（約5300Wm-1K-1）、高電子導(dǎo)電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關(guān)注。

石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料時，具有非常可觀的電化學(xué)性能。試驗室曾采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區(qū)間，表現(xiàn)出電容器的特性。

石墨烯負極材料

石墨烯負極材料在1C放電倍率下,首次可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環(huán)后容量仍可達到460mAh/g。石墨烯還可作為導(dǎo)電劑，與其他負極材料復(fù)合，提高負極材料的電化學(xué)性能。如Zai等采用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經(jīng)過50次循環(huán)后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經(jīng)過700次循環(huán)后，容量分別能達到450mAh/g和315mAh/g，表現(xiàn)出較高的容量和良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰

尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負極材料，因具有如下優(yōu)點：

1）鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎零應(yīng)變（脫嵌鋰前后晶胞參數(shù)a從0.836nm僅變?yōu)?.837nm）；

2）嵌鋰電位較高（1.55V），防止鋰枝晶出現(xiàn)，安全性較高；

3）具有很平坦的電壓平臺；

4）化學(xué)擴散系數(shù)和庫倫效率高。

鈦酸鋰的諸多優(yōu)點決定了其具有優(yōu)異的循環(huán)性能和較高的安全性，然而，其導(dǎo)電性不高、大電流充放電時容量衰減嚴重，通常采用表面改性或摻雜來提高其電導(dǎo)率。如肖等以Mg(NO3)2為鎂源，通過固相法制備了Mg2+摻雜的鈦酸鋰，表明摻雜Mg2+并沒有破壞鈦酸鋰的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，且摻雜后材料的分散性更佳，其在10C放電倍率下的比容量可達到83.8mAh/g，是未摻雜材料的2.2倍，且經(jīng)過10次充放電循環(huán)后容量無明顯衰減，經(jīng)交流阻抗測試表明，摻雜后材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻明顯降低。Zheng等通過高溫固相法，分別采用Li2CO3和檸檬酸鋰作為鋰源，制備了純相的鈦酸鋰和碳包覆的鈦酸鋰。

鈦酸鋰負極材料

實驗表明，經(jīng)碳包覆的鈦酸鋰具有較小的粒徑和良好的分散性，表現(xiàn)出更優(yōu)的電化學(xué)性能，重要歸因于碳包覆提高了鈦酸鋰顆粒表面的電子電導(dǎo)率，同時較小的粒徑縮短了Li+的擴散路徑。

硅作為鋰離子電池理想的負極材料，具有如下優(yōu)點：

1）硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲鋰比容量高達4200mAh/g（超過石墨比容量的10倍）；

2）硅的嵌鋰電位（0.5V）略高于石墨，在充電時難以形成鋰枝晶；

3）硅與電解液反應(yīng)活性低，不會發(fā)生有機溶劑的共嵌入現(xiàn)象。

然而，硅電極在充放電過程中會發(fā)生循環(huán)性能下降和容量衰減，重要有兩大原因：

1）硅與鋰生成Li4.4Si合金時，體積膨脹高達320%，巨大的體積變化易導(dǎo)致活性物質(zhì)從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環(huán)性能迅速下降；

2）電解液中的LiPF6分解出現(xiàn)的微量HF會腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。