负极材料技术发展的思考

能源是人类社会文明发展的重要物质基石和推进力量，攸关国家发展大局与民众福祉，在人类文明进步的每个阶段，它都担任着至关重要的角色，对整体文明的发展起着不可或缺的作用。能源的勘探和利用是人类社会快速发展的基石，对于推动经济、社会与科技的进步起到了至关重要的作用。然而我们必须清醒地认识到，长久以来人类对化石能源的高度依赖，以及化石能源自身存在的固有缺陷与不可再生属性，已对全球生态环境造成了深重的负面影响，对人类社会的长期稳定发展构成了严峻的挑战。寻求化石能源的替代品，推动能源结构的优 化升级已成为当前全球范围内亟待解决的关键问题之一。从国家自身发展的角度来看，推动能源向低碳、清洁、安全和高效转型，是确保国家能源供应安全、经济安全以及生态安全的关键措施。同时，从构建人类命运共同体和推动经济全球化的视角出发，这一转型也是人类社会实现可持续发展的必然选择和重要途径。

 2015年9月26日，中国国家主席习近平在联合国发展峰会上提出具有深远意义的倡议，即“探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求”。这一倡议为全球能源领域互联互通提供了全新的思路和方案，为推动全球能源转型和可持续发展贡献了中国智慧。全球能源互联网在推动“一带一路”建设进程中扮演着重要角色，其作为新的驱动力和理想平台，在沿线65个国家的能源布局与需求分布不均衡的背景下，发挥着至关重要的作用。尽管这些国家的能源需求及供给分布不均，但他们却拥有丰富的清洁能源资源，并且这些资源具有高度的互补性。因此，通过构建能源电力的互联互通网络，不仅能够促进区域内各国之间的经贸合作，为推进“一带一路”沿线国家经济繁荣做出积极贡献，还能够有效地推动各国在政策沟通、设施联通、贸易畅通、资金融通以及民心相通等多个方面的深入合作与发展。鉴于清洁能源一般受天气及时间影响，展现出显著的不确定性、波动性和间歇性的特征，为确保电力供应与需求的连续稳定，必须配置高性能的储能系统。由此可见，推进新型高效储能技术与产业的发展，对于落实习近平总书记关于构建全球能源互联网的倡议，以及满足全球电力需求以清洁、绿色方式实现的目标，具有至关重要的核心和关键作用，是推动能源转型及促进可持续发展的关键路径，也是实现人类社会持续、稳定、长期发展的必要选择。在当前能源转型和可持续发展的战略需求下，电化学储能技术正逐步凸显其重要地位，对于推动能源结构的改进与优化、促进经济社会绿色发展具有深远的意义。而锂离子电池作为电化学储能技术的核心组成部分，在新能源科技领域扮演着至关重要的角色。

１　 电化学储能技术发展趋势及电池发展方向

1.1  电化学储能技术发展趋势

电化学储能技术，指的是通过电化学反应过程从而实现电能以化学能的形式储存，并在需要时通过逆向反应将储存的化学能再次转化为电能的一种技术手段。由于电化学储能技术在能量转换效率和应用灵活性等方面均优于其他储能技术，因此成为目前储能领域的研究重点。常见的电化学储能设备包括锂离子电池（Lithium ion batteries,LIBs）、钠硫电池（Sodiumsulfur battery,NaS）、液流电池（Flow battery）等。鉴于锂离子电池所拥有的高能量密度与出色的功率密度、无记忆效应以及长循环寿命等诸多显著优势，锂离子电池已成为当前电化学储能设备中最为普遍的选择，并已顺利实现大规模商业应用。目前，商业化锂离子电池已经取得了显著进展，其能量密度成功突破了350Wh/kg，随着“双碳”政策的影响加持以及电化学储能技术的迅猛发展，对锂离子电池的各项性能如能量密度、电池寿命和循环安全性等有了更高的要求。

常见的电化学储能电池核心部件包括正极材料、负极材料、电解液及隔膜等。以钴酸锂/石墨锂离子电池作为案例进行分析，当锂离子电池正常放电时，电子从正极释放，经过闭合外电路流向负极，这个过程中伴随锂离子从正极材料LiC₀O₂中脱出，通过电解液向石墨负极移动，并嵌入到石墨碳层间，形成LiₓC₆。在电池充电的过程中，锂离子从LiₓC₆ 中脱出，并通过电 解液再次嵌入到正极之中，这一过程是上述电池放电反应的逆向过程。因此锂离子充放电的过程实质上是锂离子在正极材料与负极材料之间不断嵌入/脱出的过程。基于这种特殊的反应机制，锂离子电池又被称为“摇椅电池”。图1展示了钴酸锂/石墨锂离子电池的工作原理，具体的反应机理可用以下公式表示：

电化学储能技术具有普适性强的显著优势，其应用不受地理环境条件的制约，能实现电能的快速储存与释放，应用范围可涵盖乡村至城市等各个区域，因此在新兴市场及科研领域均受到广泛关注与研究。《“十四五”现代能源体系规划》中明确指出，要加快新型储能技术规模化应用，发挥储能消纳新能源、削峰填谷、增强电网稳定性和应急供电等多重作用。电化学储能技术在未来能源格局中主要扮演以下角色： 

１）针对发电环节，致力于解决风能、太阳能等可再生能源发电的不连续性和不可控性的劣势，以确保其能实现可控并网并按照需求进行输配； 

２）针对在电力输配环节，解决电网的调峰调频、削峰填谷、智能化供电及分布式供能等核心问题，采取切实有效的措施以提高多能源耦合效率，推动节能减排目标的实现； 

３）针对电力消费环节，致力于推进汽车、手持设备等用能终端的电气化，以进一步实现其低碳化、智能化的发展目标。

1.2　 电池发展方向

锂离子电池的理论能量密度取决于其正负极材料的比容量（Specific capacity）和电势差（Potential difference），这两者同时是影响电池能量存储能力及性能的关键因素，具体表达式为：

其中：Ｖａｖｅ为两极间电压；ＣＣａｔｈｏｄｅ、ＣＡｎｏｄｅ分别代表正极材料与负极材料的储锂容量（Lithium storage capacity）。为满足下游产业对电池比能量提升的需求，可采取以下两种策略：其一，运用具有高比容量的材料；其二，通过提升充电电压，并选用相应的高电压材料。而负极材料是电池极为关键的部分之一，其性能优劣对电池的能量密度、功率密度及循环稳定性等核心指标有决定性影响，为提升锂离子电池的性能、研发具备高比容量的新型负极材料显得至关重要。鉴于此，当前二次电池研究的热点与重点在于以材料理性设计为基础，针对性合成具备卓越电化学性能的负极材料。

２　 负极材料发展现状

理想的负极材料应具备以下特质：１）具备较低的氧化还原电位，以确保能量得以高效转换；２）拥有较高的储锂容量，从而提供更大的能量密度；３）展现良好的电子和离子传导性能，保证电池快速充放电；４）具有优异的结构稳定性，以维持电池长期使用的循环稳定性。同时，材料需符合环境友好、资源丰富且制备工艺简单等因素，以满足可持续发展和商业应用需求。

为了研发出电化学性能优异、安全性高、成本相对低廉的理想负极材料，人们对负极材料的反应机理开展了大量探索性工作并加以研究利用。负极材料依据其反应机理的差异，可细分为四大类别：嵌入反应负极（Intercalation anode）、合金化负极（Alloy anode）、转换反应负极（Conversion anode）以及有机化合物负极（Organic anode），这些分类为我们提供了深入了解和研究负极材料性能及其应用的思路。

2.1　 嵌入反应负极

常见的嵌入型负极材料涵盖形态多样的碳基材料和钛基氧化物，以最广泛应用的石墨材料为例，其储锂机制可表示为： 

石墨材料拥有的独特六边形层状结构以及层间相对微弱的范德华力，为锂离子在石墨层间的嵌入与脱出提供了优越的条件。此外，石墨在嵌锂与脱锂的过程中层间距变化较小，因而表现出卓越的循环稳定性。然而受限于石墨的结构，每六个碳原子仅能与一个锂离子配位，导致石墨的理论容量受到限制，仅为372mAh/ｇ，严重制约了石墨负极材料的发展。

2.2　 合金化负极

在特定的电势环境下，某些单质和化合物能够与锂结合形成合金，进而提供较大的储锂容量。目前，合金化负极材料的研究热点涵盖了硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）等单质及其相应的化合物。合金化负极因具备最高可达到现有石墨负极理论容量10倍以上的潜力，而备受研究者的关注。合金化负极具备较为适中的嵌锂电压，这一特性有助于抑制锂枝晶的生成，进而提升电池的整体安全性；然而在循环过程中合金化负极会经历显著的体积膨胀，容易引发活性材料颗粒粉化失活、电接触不良以及SEI的频繁破裂等诸多问题，对其循环稳定性产生了致命的影响。

2.3　 转换反应负极

转换负极材料涵盖了一系列过渡金属的化合物，包括但不限于其氧化物（TMO）、磷化物（TMP）、硫化物（TMS）和氮化物（TMN）等。

转换反应材料的核心反应可归结到置换反应范畴，其储锂过程可表示为以下机制：

转换负极材料因其卓越的理论比容量，自20世纪伊始备受业界关注，一直是新能源材料研究的重点之一。在众多转换负极材料中，铁基氧化物如Fe₂O₃ 、Fe₃O₄等因具备资源丰富、成本低廉以及高容量等显著优势，在众多负极材料中表现卓越，脱颖而出成为极具竞争力的理想负极材料之一。这些材料的出色性能预示着它们在新能源领域大放异彩，其应用潜力难以估量，发展前景令人期待。深入研究发现，除了广泛应用的铁氧化物，钴氧化物同样具备作为锂离子电池负极材料的潜力。

2.4　 有机化合物负极

随着电池行业迅猛发展，传统无机材料正遭遇资源瓶颈的挑战。与此同时，有机化合物负极材料凭借其环境友好性、资源可持续性和结构多样性等特点，逐渐受到研究人员的关注。常见的有机化合物负极包括N型导电聚合物和共轭羰基化合物等，如图2所示。

Ｎ 型导电聚合物能通过还原反应可逆地与带有正电荷的锂离子进行掺杂，从而展现出优秀的储锂性能；共轭羰基化合物则主要是利用羰基与锂离子之间的可逆键合反应来实现储锂；深入研究发现，苯环同样具备参与储锂反应的能力，因此含芳香环的共轭羰基化合物在可逆容量方面可展现出更高的性能。有机化合物负极的储锂性能往往依赖于活性官能团的电荷转移机制，因此通过精心设计调控分子结构，可以实现对反应电压和能量密度的有效控制。然而，目前有机负极材料在导电性能、质量能量密度和活性物质稳定性等方面存在显著不足，这些限制因素使其商业化进程变得异常艰难。为了解决这些问题并推动有机负极材料的实际应用，仍需进行更为深入的研究和改进工作。

2.5　 商业化负极材料

目前商业化锂离子电池采用的负极材料以嵌入型负极材 料和合金化负极材料为主，主要包括：１）石墨类碳材料，分为天然石墨（NG）、人造石墨（AG）；２）无序（无定形）碳材料，包括硬碳（HC）和软碳（SC）；３）钛酸锂材料（LTO）；４）硅基材料，主要分为碳包覆氧化亚硅复合材料（C@SiＯₓ ）、纳米硅碳复合材料（C@nano-Si）、无定形硅合金（a-SiMₓ ）。

根据相关统计资料，2013年全球锂离子电池负极材料的出货量为 48000t，而截至 2023 年，该数值已跃升至1679500t，期间的复合年增长率高达42.69％。这充分显示了锂离子电池负极材料产业在全球范围内经历了显著的增长。此外，该产业呈现出极高的集中度，这主要体现在区域集中和企业集中两个方面。从区域集中来看，中国无疑是全球电池负极材料的主要产销国，其产量及出货量在全球市场中所占比例均超过95％。从企业集中来看，贝特瑞新材料、杉杉锂电、江西紫宸科技三家龙头企业全球市场占有率接近55％，显示出强大的市场影响力与竞争力。同时，近年来崭露头角的行业新秀，如广东东岛能源、河北坤天、金汇能等也均实现了年产量超过2万 t 的突破，为行业的发展注入新的活力。

 2.5.1　 石墨类碳材料石墨材料

以其丰富的储量和低廉的价格，长期以来一直占据负极材料使用量的首位。考虑到其稳定的性能和广泛的应用基础，石墨材料在未来相当长的时间内，仍将保持其在商业化锂离子电池负极材料中领先地位。我国石墨矿产资源储备丰富，为本土企业的发展提供了得天独厚的低成本优势，进而在全球石墨市场中保持领先地位。天然石墨的改性技术已经取得了显著的进展，并发展到一个相对成熟的阶段；与此同时，基于焦炭的人造石墨技术在近年来也展现出了迅猛的发展势头。现今人造石墨在首周效率和循环性能上的表现均超越了天然石墨，显示出更为广阔的发展潜力和应用前景。2023年全球人造石墨负极材料的渗透率呈现出稳健的增长态势，由 2022年的 79％提升至 84％，在人造石墨负极材料价格快速回落的情况下，人造石墨负极材料性价 比优势再次凸显。随着储能行业对电池性能要求的不断提升，高功率、高能量密度和高安全性成为行业追求的重要目标。然而，随着研究的持续深化，传统商用石墨负极材料在这些方面的局限性逐渐凸显，难以满足日益增长的市场需求。因此，为了应对行业发展的迫切需求，研制新型电池负极材料已成为当前的首要任务。 

2.5.2　 无定型碳材料

无定型碳材料主要可分为硬碳材料以及软碳材料。相较于石墨类碳材料，无定型碳材料结晶度较低，片层结构不如石墨整齐划一。正因如此，它不易发生溶剂共嵌入和晶格膨胀收缩等常见于石墨类材料的现象，从而展现出了优秀的循环性能。尽管无定型碳材料在结构上具有独特的优势，但由于其能量密度相对较低，这使得在能量型锂离子电池的应用中，其表现并不突出，无法与其他高性能材料相媲美。无定形碳材料在钠离子电池领域的应用占据重要地位，主要归结于其能解决因钠离子半径过大而无法在石墨层间有效嵌入或脱嵌的问题。其中硬碳具备储钠能力好、容量高等优点，是钠离子电池负极材料的重点发展方向。

目前主流负极厂家均在无定形碳的技术路径上有所布局，其中以硬碳负极为主，软碳负极为辅，其主要应用涵盖高功率动力电池、高性能储能电池及混动汽车等诸多领域。2023年5月，电极材料龙头企业贝特瑞发布新一代钠离子电池硬碳负极材料———探钠350和钠电池正极材料贝钠-03B，其中“探钠350”负极材料比容量可达350 mAh/g，首次充放电效率达90％。目前贝特瑞在中国已形成400t左右的硬碳负极产能。近年来，随着新能源汽车市场的迅猛增长和技术的持续革新，无定型碳材料作为重要的原材料之一，其出货量呈现出稳定增长的态势。

2.5.3　 钛酸锂材料

钛酸锂（Li４Ti５O１２） 是 Jonker等于 1956 年提出的具有立方尖晶石结构的一种负极材料，因其具有罕见的零应变特性，是安全性最高的负极材料，且组成电池的循环寿命及高低温性能优于常规电池。如图3所示，尖晶石相的Li４Ti５O１２在失去电子之后，带正电的锂离子移动到尖晶石结构的 16c位置，同时8a位置的3个锂离子也在库仑力作用下被排斥，移动到16c位置，材料的整体结构由尖晶石相转变为岩盐相，锂嵌入脱出前后材料的晶胞体积变化小于1％。

尽管钛酸锂材料在安全性、循环稳定性和倍率性能上表现出色，但受限于其相对较低的理论容量和较高的电压平台，这使得在电池组装过程中，其能量密度可能相对较低；且钛金属本身属于贵金属，导致LTO材料应用存在较高的技术门槛，主要面向运行条件恶劣，要求长循环寿命、对成本不敏感但对安全性要求更高的场景。德令哈有轨电车是目前世界上运行在最高海拔地区的有轨电车线路，为确保能在高原极端环境下的稳定运行，电车采用了超级电容与钛酸锂电池结合的储能技术。 

2.5.4　 硅基材料

相比碳材料，硅基材料在负极领域的应用优势在于其更强的承载与脱嵌锂离子能力， 硅基材料的理论容量大于4000mAh/g ，可大幅提升电池的能量密度。但由于硅基材料的充放电机制属于合金化机制，在脱嵌锂的过程中由于体积的显著膨胀与收缩，会不可避免地引发了颗粒的粉化和脱落等问题，从而造成了结构的坍塌。业界主要通过减少体积、结构设计以及将硅基材料与碳材料复合的方式实现硅基材料商业化应用。

随着新能源汽车行业的快速发展与日益繁荣，对于高性能电池的需求也在日渐提升，这无疑为高能量密度电池的研发提供了强劲的动力支持。在这种形势下，硅基负极材料因其潜在 的能量密度提升能力，正逐渐成为下一代负极材料的优选。尤其是电池结构强度的变大在一定程度上可抵抗硅基负极的膨胀，在确保安全性的前提下应用硅基负极可直接实现电池能量密度的飞跃。现今硅基负极产业化不断成熟，企业相继布局硅基负极产能。贝特瑞在2023年硅基负极出货量已经超过3000t，其第五代硅碳负极材料比容量在 2000mAh/g 以上。贝特瑞在深圳新建的硅基负极一期项目预计于 2024年陆续建成；杉杉股份年产4万t锂电硅基负极材料一体化基地项目亦将于2024年部分投产，2026年全面建成投产，未来硅基负极产能将逐步释放。

３　 负极材料技术发展方向

前文已经针对不同负极材料的反应机理以及商业化应用进行梳理概述，而在储能体系中电池的性能极其依赖电极材料的电化学性能，因此对负极材料的深入研究和精心设计至关重要。这要求在不同尺度下对负极材料性能提升的核心问题进行精确地分析设计和优化。负极材料的性能优化直接关系到 电池的整体效能、循环稳定性和安全可靠性，其性能主要受元素差异、晶体结构以及微观形貌等因素影响，在对负极材料进行改性优化时需相应聚焦在这三个方面。

元素的选取主要影响负极材料的电荷容量以及成本，过渡金属元素因其具备多种氧化态的特性，在电化学反应过程中具备充足的电荷转移能力，从而使材料展现出卓越的可逆比容量。此外，元素的选择将极大影响电极材料的本征电势，对电池电压造成显著影响。晶体结构的差异主要影响电极材料的电压、结构稳定性以及电子导电性。通过对电极材料的晶相进行设计，调控材料的电子/离子传输性能，是提升材料电化学性能的关键途径，并常用于优化嵌入/脱出类材料的电极性能，对于提高能量存储和转换设备的效率至关重要。这种调控可以通过改变材料的组成、结构或形貌来实现，以达到优化电子和离子的迁移速率、降低能量损失和提高整体性能的目的。

经过科学研究和实验验证，通过纳米化设计优化电极材料的微观形貌，降低材料颗粒尺寸是提升电极材料性能的关键手段之一。通过纳米化技术优化电极结构，能够有效缩短离子和电子在电极内部的传输路径，进而提升电极反应的可逆性和倍率性能。因此对材料进行微观形貌设计是目前负极材料技术发展的研究重点。

下文将根据影响负极材料性能的关键因素，针对目前已经商业化负极材料技术发展趋势进行梳理分析，并提出工业化应 用的解决方案。

3.1　 碳基材料负极

碳基材料主要可分为石墨类材料及无定形碳材料。由于石墨材料的质量比容量不高，锂离子扩散系数较低，难以适应大电流的快速充放电，作为负极材料无法获得较高的能量和功率密度。为增强石墨类负极的电化学性能及稳定性，在实际应用中会通过杂原子(如Ｂ、S、Ｎ、Ｐ等）掺杂、表面氧化、聚合物热解碳包覆等方法对石墨负极进行改性。张文峰等人提出了铜氨离子络合的酚醛树脂碳对天然石墨负极材料进行表面包覆的专利技术，这一材料的首次充放电效率以及循环稳定性相比未处理的天然石墨负极材料有较大提升，且均匀分散在无定形碳层中的纳米铜颗粒能显著提高包覆层的电导率，提高材料的低温性能。广东东岛新能源有限公司针对人造石墨比容量不高、续航里程短、倍率性较差等缺点，研发独创的二次造粒技术以制备高倍率长续航动力电池人 造石墨负极材料。此技术通过二次造粒将小粒径石油生焦黏结在一起，在小颗粒与小颗粒间存在纳米空腔结构，该结构提供大量储锂空间和活性位，材料的储锂容量得到大幅提高。经二次造粒后，材料的保液性能得以显著增强，膨胀系数得以降低，可有效缩短锂离子的扩散路径，提高材料的低温性能和循环寿命。

人造石墨中一个重要分支材料是中间相碳微球（Mesocarbon microbead）。中间相碳微球得益于其碳微球外表面均为石墨结构的边缘面，具备稳定的反应活性，能够迅速形成均匀的SEI 膜层，从而显著提高锂离子的嵌入与脱出效率。正因如此，其拥有了较高的首周效率以及出色的倍率性能。虽然中间相碳微球具有诸多优势，但其高昂的制作成本制约了其在电化学储能领域的广泛应用。广东东岛新能源有限公司采用等离子枪或等离子炬产生的等离子区高温，对中间相碳微球 进行碳化，大大降低材料生产能耗及制造成本。经过碳化处理后的中间相碳微球，通过化学气相沉积的包覆技术，能够有效增强其与电解液的相容性，进而提升其电化学性能。

与石墨材料不同，硬碳材料即使经过高温石墨化过程仍能保持无序结构，结晶性较低、层间距较大，可以容纳离子半径更大的Na⁺，K⁺，且硬碳材料含有丰富的表面缺陷和杂原子，有助于激活更多潜在的活性位点并促进离子在材料内部的快速传输，从而具备出色的储钠、储钾能力，并展现出卓越的倍率性能。从龙头硬碳材料生产商的制备工艺来看，硬碳生产工艺主要包括粉碎、碳化、纯化、活化等过程，生物前驱体还需要酸洗等步骤，树脂则需要与乙醇混合；在实际工序中，温度控制以及前驱体的选择对于产品极其重要，决定硬碳的最终性能。中国企业中，佰思格硬碳采用淀粉等生物质材料作为原料，通过改性处理、裂解缩聚、碳化和表面改性等步骤，可以得到满足快充性能的钠离子电池硬碳材料，相比传统改性方法更加简单，成本更低廉。与硬碳材料相比，软碳材料有序度较高、缺陷和杂原子含量较少、导电性好，经过处理之后同样能表现出良好的电化学性能。

3.2　 钛酸锂负极

由于钛酸锂材料的电子电导率表现较差，其倍率性能亦不尽如人意，因此通常采取离子掺杂、表面碳包覆以及纳米化等 策略对其进行性能优化处理。Luo等人通过水热法成功合成了 Li₄Ti₅O₁₂/C纳米棒材料，相较于原始材料，纳米棒材料因其拥有更丰富的三维孔洞，材料的比表面积得以显著提升。此特性有助于电解液充分渗透，进而推动锂离子与电子在活性材料之间的迅速传输。在电流密度为0.2C的条件下，经过该方法合成的材料展现出了出色的电化学性能。具体而言，其首次放电比容量高达168.4mAh/g ，同时，其首次库伦效率也达到了95％。Yang团队借助微波辅助的冷冻干燥技术，成功将碳包覆的钛酸锂纳米颗粒材料与石墨烯纳米片进行复合。经过精密的设计和科学的合成，石墨烯纳米片与碳层在三维空间中交织成一个高效的导电网络，从而极大促进了电子和锂离子的传递效率。

3.3　 硅基材料负极

影响硅基材料性能，导致硅负极材料失效的因素主要包括活性材料的粉化、电极材料与集流体脱离以及SEI膜的不稳定生长。为优化硅基负极材料的电化学性能，目前常用的技术改进措施包括：１）将硅材料纳米化，如构筑多孔纳米硅、硅纳米线、硅纳米颗粒等；２）与其他材料（多为碳材料）进行复合并进行结构设计，如构筑核壳结构、卵黄结构、中空结构等；３）优化硅基材料电池的粘结剂和电解液。Chan等人利用金元素作 为催化剂，直接在不锈钢基底上生长硅纳米线，并在纳米线之间保留充足的空间以减轻体积效应。经此方法制备的硅纳米线，在首次充放电循环中展现出高达3124mAh/g的容量，且在循环后材料的结构稳定性依然得以保持。Ge团队采用商品化的硅纳米颗粒作为基础材料，通过引入硼元素掺杂以及利用硝酸银/氢氟酸混合溶液进行精细刻蚀处理，最终成功制备出具有多孔结构的纳米硅颗粒。将此材料用于负极时，在 1A/g电流下可逆比容量为1400mAh/g。这种优势源于其独特的多孔结构设计，该结构不仅确保了硅基材料与锂发生反应时有足够的缓冲空间以应对体积膨胀，而且促进了锂离子在材料内部的快速脱嵌过程。

3.4　 其他负极

除上述已经商业化的负极材料外，人们逐渐开始将目光转移到转换反应负极材料以及有机化合物负极材料，通过多种方式对材料进行改性以求将其用于商业领域。 

Jiang等人通过精心设计与制备，成功合成了一种由3Ｄ石墨烯包覆的多孔Fe₂O₃ 纳米框架材料，并将其用于转换反应负极。这种纳米框架材料的可逆容量高达1129mAh/g，得益于其内部构建的高效导电网络以及独特的应力缓冲机制。在0.5A/g的电流密度下，经过1200星期的循环测试，该材料依然能够保持98％的初始容量，这一表现充分证明了其卓越的电化学性能。

有机负极材料导电性较差，易与电解液发生副反应，为提高有机负极性能并用于大规模商业化，人们开始不断探索可行的改性方式，如今有效的改性方式包括构建包覆层、寻找合适的电解液等。Chen等研究者于 2017 年对K₂TP的储钾性能进行了详细研究，特别关注了电解液溶剂对其储钾性能的影响。经过严格的电化学性能测试，采用1mol/L KPF₆/DME作为电解液时，K₂TP 材料在1A/g的电流密度下，展现出了卓越的可逆比容量，具体数值为185mAh/g。同时，在长达500星期的循环稳定性测试中，该材料的容量保持率依然维持在高水平，达到了94.6％。这一结果充分证明了1mol/L KPF₆/DME电解液中具备优异的循环稳定性，这归根于以DME为溶剂的电解液能够在材料表面形成稳定的固体电解质界面膜（SEI 膜），SEI 膜的存在对于提高电池的循环性能起到至关重要的作用。K₂TP 的电化学反应机理如图４所示。

４　 结论

鉴于消费电子产品的持续升级、新能源汽车行业的迅猛增长、智能电网的广泛普及以及其他储能领域对高性能电池的迫切需求，我们有理由相信电池产业在未来的发展中将继续展现其强大的增长潜力，实现持续的高速增长。这一发展趋势为我 国电池负极材料产业带来了显著的市场扩张机遇和巨大的增长潜力。然而，这也对负极材料产业提出了更高的要求，需要其不断提升技术创新能力、优化完善产品布局、强化产品质量，以满足市场的日益增长需求。电池产业的核心推动力在于电极材料技术的不断革新。针对负极材料的深入研发，对于提升电池的综合性能、降低生产成本以及增强安全性等方面，具有至关重要的作用。因此，高性能负极材料的研发始终是电池技 术领域不可忽视的关键议题。

为了优化负极材料的电化学性能并降低其应用成本，业界正致力于深入研究负极材料在各类电池中的电化学反应、储锂机制、热力学特性、动力学行为、稳定性表现以及界面反应等基础科学问题。同时，针对材料的综合性能指标提升、材料间的匹配性优化以及服役与失效机制等关键技术难题，业界也在积极开展攻关工作，以期发掘性能更卓越的负极材料。正如本文所梳理总结的，目前负极材料的技术进步主要集中在优化和提升商业化负极材料的性能等方面。经过碳材料包覆、纳米结构构筑以及活性元素掺杂等改性手段的处理，负极材料的电化学性能得到了显著的提升，包括倍率性能和循环稳定性等方面均表现出一定增强。而二次造粒技术、等离子碳化技术等的应 用则为负极材料的低成本合成与改性提供了新的思路。

尽管材料的开发应用存在许多困难与挑战，但以国家发展规划为战略导向，针对新一代储能技术核心要求，研发集高能量密度、高功率密度及高耐用性于一身的负极材料势在必行。此举不仅成为企业巩固核心竞争优势、拓展市场份额的必由之路，同时也是科研人员积极投身于科技强国建设的重要实践舞台。