負極材料是鋰離子電池四大核心材料之一。鋰電池負極主要由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成,涂抹于銅箔的兩側,后經干燥、滾壓等工序加工完成。在鋰電池充放電過程中,受電極電壓作用,正極中的鋰離子發生“嵌入”和“脫嵌”電化學反應,負極作為載體負責儲存并釋放鋰離子并使電流從外電路通過。負極材料占鋰電池制造成本的5%~15%不等。

圖1 Co、Ni、Mn 等是嵌鋰化合物中合適的過渡金屬之選
鋰電池負極主要分為碳材料和非碳材料兩大類。人造石墨和天然石墨是目前最主流的兩大石墨類碳材料負極,復合石墨與中間相碳微球經過摻雜改性和化合物處理加工制成;無定形碳和碳納米材料石墨烯也同屬碳材料負極。非碳材料涵蓋硅基、鈦基、錫基、氮化物和金屬鋰,硅基負極基本實現商業化,其它新型負極目前仍處研發或小規模生產階段,尚未實現商業化。
圖2 鋰電池負極分類
鋰電池下游對高能量密度、長續航、快充等性能需求提升,硅基負極的超高比容量將推動電動汽車續航邁入新的里程碑。目前行業正朝著高鎳正極搭配硅基負極的技術體系邁進,綜合提升了鋰電池能量密度、環境友好性及安全性。

?圖3 鋰電池材料發展路線

圖4 硅氧和硅碳顆粒示意圖及性能特點

圖5 硅氧/硅碳的一般工藝流程
圖6 材料及電池系統技術優化路線


負極極片循環前硅氧顆粒表面

Apero2探測器配置三個鏡筒內探測器(T1、T2、T3),不同的探測器可對負極材料進行不同角度的表征。T1主要反映樣品中不同物相的平均原子序數襯度,在負極極片中,可設置不同的電壓,清晰的辨別硅氧顆粒的大小和分布,同時可根據電壓的不同,定性的判斷硅氧顆粒表面包覆層的厚或薄(循環后的硅氧顆粒需要10kv的電壓才能看出平均原子序數襯度,說明表面形成的SEI膜較厚)。T2和T3反映樣品表面的細節,在負極極片中,可觀察納米材料(如CNT和SP)的團聚和分散情況,也能清楚的反應硅氧顆粒表面的細節。在Apero的軟件設計中,T1、T2和T3可同時獨立成像,意味著,我們可以在找到感興趣的硅氧顆粒的時直接觀察表面細節,不需要反復切換探測器,從而提高檢測效率。

負極極片截面硅氧顆粒的分布(左圖)循環前、(右圖)循環后
案例2:商業化硅基負極極片種類分析討論


負極極片截面硅碳顆粒(左圖)局部放大圖(右圖)整體顆粒形貌
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