引言
近年来，能源需求的增加和化石燃料的快速耗竭，引发了越来越严重的能源危机和环境污染等问题，人们对生态新能源与可再生能源技术的关注度急剧增加，因此人们对可持续能源的探索以及相应电化学储能的开发力度不断加大。其中锂离子电池因其重量轻、设计灵活、环境友好，同时具有相对较高的功率和能量密度等特点，而具有广阔的发展前景。目前，锂离子电池已经在新能源汽车、通讯、便携式电子设备以及军事等领域得到普及推广；此外，锂离子电池还被人们广泛应用到储能领域，用于可再生能源如风能、太阳能、地热能等生态友好能源的储备。
一、锂离子电池的工作原理
锂离子电池工作原理如图所示，锂离子电池有负极、正极、隔膜和电解液四个基本组成部分，其中，隔膜起着电绝缘体的作用，允许离子电荷通过，同时防止两个电极之间发生短路；电解液负责电池内部离子的传输，用于实现电池内部的电荷转移。在充放电过程中，锂离子在正负极材料中来回脱嵌完成电能的存储与释放。
图：锂离子电池工作原理示意图
二、锂离子电池负极材料的应用
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，在充电过程中，Li+从正极迁移并嵌入负极，Li+的嵌入量越多，则电池的充电容量越大；在放电过程中，Li+从负极材料中脱嵌出来并迁移回到正极，Li+脱嵌的量越多，电池的放电容量越大。因此，负极材料的性能是影响锂离子电池性能的关键因素。随着科技的飞速发展，人们对锂离子电池的性能要求也越来越高，例如，要求其具有更轻的重量、更高的容量、更便宜的价格、更高的安全性等等。这也对锂离子电池的重要组成部分—负极材料提出了更高的要求。
1、锂离子电池负极材料选择的原则
为了获得高性能的锂离子电池，负极材料需要具有以下原则：
(1)在锂离子的嵌入反应中自由能变化小，电位低，并接近锂，以保证电池具有较高且平稳的输出电压；（2）锂离子在负极材料中应具有较高的扩散速率，以使电池能以较高的倍率充放电，满足动力型电源的需要；(3)高度可逆的嵌入-脱嵌反应，以保证电池具有较高的能量密度和较小的容量损失；(4)良好的电导率；(5)热力学稳定，同时与电解质不发生化学反应，即在电解液中具有良好的化学稳定性和相容性，以保证电池具有良好的循环性能；(6)良好的加工性能；(7)制备容易，资源丰富，价格低廉，对环境无污染。
2、负极材料的分类
锂离子电池负极材料应具有尽可能低的电极电位、较高的Li+迁移速率、高度的Li+嵌入-脱嵌可逆性、良好的电导率及热力学稳定性。目前，锂离子电池负极材料主要分为碳材料与非碳材料两大类。与其它的嵌锂负极材料相比，碳材料具有高比容量、低电化学电势、良好的循环性能、廉价、无毒、在空气中稳定等优点，是目前市场上最成熟的锂离子电池负极材料。碳材料又可以分为石墨与非石墨两大类。石墨是锂离子电池碳材料中研究得最多的一种，包括人造石墨、天然石墨和各种无定型碳。无定型碳材料根据其热处理时易于结晶的程度又可分为软碳和硬碳。软碳的结晶度可通过热处理过程自由控制，一般为沥青或其衍生产物，是以煤或石油为前驱物制成的。硬碳是一种接近于无定形结构的碳。
3、碳负极材料
早期的锂电池中是以金属锂作为电池的负极，在充放电过程中，电解液会与负极金属锂发生反应，在金属锂表面形成锂膜，导致锂枝晶生长，刺穿离子交换膜，进而引起电池内部短路和电池爆炸等安全问题。这严重的阻碍了锂电池的发展。20世纪80年代，人们发现Li+在碳材料中的嵌入反应的电位接近锂的电位，同时，因为碳材料不易与有机溶剂发生化学反应，电池具有很好的循环性能。碳材料作为锂离子电池负极使用，在充放电过程中，在固相内发生Li+嵌入-脱嵌反应：
目前锂离子电池负极常用的碳材料主要有石墨、软碳和硬碳三种。
（1）石墨类碳材料
石墨类碳材料由于具有成本低、能量密度高等优势一直占据着整个锂离子负极材料市场的主导地位。从市场份额上看，天然石墨与人造石墨占据了锂离子电池负极材料全球市场的90%以上。而从资源储量来看，我国是世界上石墨储量最丰富的国家，在较长的一段时间内，石墨类碳材料仍将是锂离子负极材料市场的主体。石墨类负极材料主要应用领域为便携式电子产品，改性天然石墨也已经在动力电池与储能电池中应用。但是，当前制作工艺的不断完善己经使石墨类负极材料非常接近其理论容量372 mA.h/g，且压实密度也己经达到了极限，而电动汽车领域的不断发展对下一代锂离子电池的能量密度、功率密度、寿命等提出了更高的要求。
（2）硬碳和软碳材料
硬碳负极材料的发展趋势主要还是通过不断改进材料的制备工艺，使之更适用于高功率动力电池和混合动力汽车。针对硬碳负极材料首次效率过低、不可逆容量较大等问题，学术界和各大企业均尝试通过包覆和掺杂等方法改善硬碳的电化学性能。软碳则是最早被商业化使用于锂离子电池负极的材料，其材料成本比较低，所以发展趋势也是针对其首次不可逆容量较大、电池电压较低、容量较低等问题进行改善。通过材料的掺杂、修饰等改性处理提升其电化学性能，以使其可以更好地应用于储能电池和混合动力汽车等领域。
4、非碳负极材料
在锂离子电池负极材料中，除了碳材料以外，还有一些非碳材料也一直是人们关注的焦点。例如，目前己在一些锂离子电池中少量应用的钛酸锂材料。钛酸锂属于充放电零应变的材料，即在充放电过程其结构不发生改变，因此其循环性能非常优异，在常温循环中几乎没有衰减。另外，由于其不形成SEI膜，所以无须考虑PC电解液的问题，低温性能可以得到很好的改善。但是钛酸锂的价格相对较高，工作电压低，能量密度远低于石墨，同时加工难度大，生产技术门槛高，在使用过程中容易出现胀气问题，目前只有少数企业可以生产，极大的限制了它的应用。
结束语
随着消费电子类产品的更新换代、新能源汽车产业的蓬勃发展、智能电网的迅速推广以及其它技术领域对高性能电池的旺盛需求，锂离子电池产业必将在未来几年持续高速发展。这为我国锂离子电池负极材料产业的发展提供了很大的机遇，但同时也提出了更高的要求。
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