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

負極極片表面硅氧顆粒的分布（左圖）循環前、（右圖）循環后

 

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

負極極片表面硅碳顆粒（左圖）表面導電網路（右圖）顆粒形貌

 

通過Apero2標配的T1探測器，迅速的鎖定硅碳復合顆粒所在位置，T3同時成像，可以看到硅碳顆粒與石墨顆粒之間通過CNT和SP的連接形成了導電網絡，在硅氧顆粒表面也覆蓋了一層導電添加劑。為了更清楚的呈現導電網絡的表面細節，將電壓從10KV降低至1KV，采用浸沒式模式觀察，可清楚的看到CNT、SP和高分子粘結劑之間的網絡結構。

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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