负极材料：突破锂离子电池能量密度天花板的关键

孙 赛 邓 洁 王晓晨

锂离子电池经过多年发展，能量密度已得到大幅提升。统计表明，1991至2015年间锂离子电池的能量密度提升了3倍，GAGR（年复合增长率）约3%。但从实际技术发展来看，当前锂离子电池能量密度增速明显放缓，主流产品均已接近能量密度天花板。

打破材料、技术的桎梏才能实现电池能量密度的继续突破。一直以来，正极材料因其较低的比容量被认为是提升电池性能的掣肘短板。经过大量的研究投入，层状氧化物（钴酸锂）、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、三元材料、高镍三元材料等正极材料相继被研发出来，正极材料的比容量已从120mAh/g（毫安时/克）逐步提高到210mAh/g。如今，在电池工艺发展接近极限、正极材料容量提升遭遇瓶颈的条件下，开发应用更高比容量的负极材料已成为突破锂离子电池能量密度天花板的关键。

商业化负极材料技术现状与发展趋势：石墨负极材料占据市场主导，硅基负极材料是下一代负极材料主力军

锂离子电池充电时，正极产生的锂离子经过电解液嵌入负极，负极嵌入的锂离子越多，充电容量越高。负极材料主要影响锂离子电池的首次库伦效率、能量密度、循环性能等，是锂离子电池最重要的原材料之一。目前商业化锂离子电池采用的负极材料主要包括：石墨类碳材料，主要是人造石墨和天然石墨；无序碳材料，包括硬碳和软碳；钛酸锂材料；硅基材料，主要包括碳包覆氧化亚硅复合材料、纳米硅碳复合材料等。

新能源汽车和储能行业的迅猛发展，带动了锂离子电池呈爆发式增长。2022年我国负极材料出货量达到137万吨，同比增长90.3%；人造石墨出货量达到115万吨，同比增长89.5%，出货量占比84%，未来仍将长期占据市场主导；天然石墨受其特性影响，增速相对缓慢。硅基负极材料纯料年产值为10.7亿元（出货量为1.5万吨），占锂电负极材料市场的2%。从全球市场上看，2021年我国占全球负极材料市场比重为86.10%，韩国、日本总产能16万吨，占比15%，国内企业占据领先优势。

1.石墨负极：提高石墨化自供率，降低石墨化电耗是降本增效的关键

图1 锂离子电池负极材料分类

石墨类负极材料由于在锂化过程中具备体积变化率小（300%）、导电性差、锂离子扩散系数低的固有劣势，使得硅基负极材料尚未实现大规模市场应用。截至2022年底，硅基负极材料纯料年产值为10.7亿元（出货量为1.5万吨），仅占据负极材料市场的2%。硅基负极材料目前主要应用于对循环寿命要求不高的3C市场（