锂电池的理论容量密度，其上限主要取决于什么？

锂电池负极材料，容量，寿命，安全性，是最受关注的几个主要性能要求。

锂电池的理论容量密度，其上限主要取决于正极材料和负极材料的理论容量。材料的理论容量怎么得来的呢？

1 材料的理论容量

每摩尔材料分子可以带来多少量的活性锂离子，用全部锂离子的库伦电量除以材料的摩尔质量，就得到单位质量承载的库伦电量值，经过单位变换，也就相当于是单位质量对应的安时数。

以碳材料为例：锂离子在石墨中的存在形态是LiC6 ，6个C原子可以储存一个锂离子，其摩尔质量为6*12=72g，1摩尔LiC6 完全反应将转移1摩尔电子的电量。

每摩尔电子电量：

（6.02×10^23）*（1.602176×10^-19 C）/3.6

=9.645009/3.6=2.6792*10^4 mAh

其中：

每摩尔电子的数量6.02×10^23；

每个电子的带电量1.602176×10^-19 C；

1mAh=3.6C；

碳原子量12；

石墨负极单位质量存储电量：2.6792*10^4/（12*6）=372.1 mAh/g 。

这样，我们就了解了负极材质的理论容量是怎样推导出来的。材质的理论极限决定了锂电池的理论极限。在实际应用中还会打折再打折。

那么，就从计算公式看，电极材料理论容量的决定因素：材料分子质量和每个分子对应活性锂离子数量。

2 研究和应用中的负极材料

分子结构决定了材质电荷容量的理论极限，而材质实际的物理结构也会对容量产生影响。

当前负极材料的种类大体分为碳材料、硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。其中碳材料是主流，并且大部分商业化的锂电池产量都是碳材料负极。

2.1 碳材料

碳材料种类很多，常见的有天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球（M C M B）、软炭（如焦炭）负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等，其中，被广泛应用的天然石墨负极、人造石墨负极。

石墨作为负极为人们广泛采用，有多个方面的原因。

首先，其电位低，放电平台在0.01V至0.2V，使得电池整体容易获得较高的输出电压；其次，石墨的层状堆垛结构，使得锂离子在层间可以自由穿梭，阻碍较小。而石墨层间的范德华力，使得石墨在容纳锂离子的时候，不至于变形崩溃。

最后，C元素在地球上数量极大，容易直接获取，人工加工制造也容易实现。

石墨负极的缺陷也非常明显，它容易与电解液反应，生成SEI膜。电芯的老化和热失控，很大程度上来源于SEI膜的老化和稳定定的变化。这使得石墨负极的锂电池寿命存在着确定的上限。

石墨负极

2.1.1 天然石墨

天然石墨是自然界中原本就存在的碳单质形式，容易直接获取。其基本的层状结构是适合锂离子的嵌入脱出的。但其容易与电解液发生作用，循环性差，一般无法直接商用，而是经过改性使用。

2.1.2 人造石墨

宝石都认为天然的好，然而人造石墨却具有着天然石墨不具备的性能。人造石墨是人们选取易于石墨化的碳材料经过高温烧制而成的，内部形成较大的空隙，这给容纳锂离子带来了优势。人造石墨循环性好，能够经受较大电流充放电的考验，是当前，尤其是动力电池的首选材质。

2.1.3 其他石墨材质

石墨化中间相炭微球，软碳，硬碳，都是利用高含碳量的材质加工而成的，循环寿命普遍存在问题，暂时没有得到太多的应用。

2.1.4 碳材料的新锐——碳纳米管和石墨烯

碳纳米管

碳纳米管，直径在纳米量级，长度在微米量级，一般两端封闭的一段中空管。具有优良的导电性和导热性。在工程中，被越来越广泛的使用。

把碳纳米管直接作为负极使用，其在大倍率放电方面，对锂电池有所帮助，但可逆容量低，寿命短，暂时无法直接使用。人们当前的研究方向是将碳纳米管与其他材质复合使用，以发挥它导电导热和嵌锂迅速的优势。

碳纳米管微观模型

石墨烯

石墨烯被称作新材料之王，其发现者也因此获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯被描述为单层碳原子组成的二维材料，高强度，高导电导热性能。

石墨烯应用在电池负极上，理论上可以提高电池的容量和充放电倍率。充电8分钟，续航500公里的新闻，想想都挺美好的。只是石墨烯的批量制备比较困难，并没有太多的实验数据产生。

石墨烯

2.2 硅负极材料

硅负极材料，其3590mAh/g理论容量，和与碳类似的性质，使得其一直是负极材料研究的重要领域，被认为是最有可能替代碳材料的方向。其主要缺陷在于，当锂离子嵌入时，离子与硅基材的作用力过于显著，使得材质层间距离明显增大，充电和放电过程，硅材料的体积一下膨胀，一下收缩。这造成材质内部很快积聚大量内应力，造成负极难于长期稳定工作。同时，硅材料表面也需要SEI膜的保护，体积的实时改变，使得SEI膜难于长期稳定附着在电极表面，也是硅材料的一个问题。

当前对于硅材料的应用，大多采用与碳材料复合的形式。碳核，外面包裹一层硅材料，最外层再裹上一层碳材料。这样，希望在能够利用硅的高容量的同时，用碳吸收部分硅的体积变化。硅碳复合不止前面描述的这一种形式，人们正在想尽一切办法把硅引入负极应用中来。

2.3 钛酸锂

钛酸锂，被认为是当前最安全的负极材料。它不仅不需要SEI膜的缓冲，也不会造成负极被侵蚀的问题，而且还能吸收正极副反应产生的氧气。因为这些特点，其循环寿命达到2万次以上，并且极大降低热失控风险。它的唯一缺陷就是容量低，理论比容量只有175m A h / g，对于追求续航的使用者来说，确实是一个问题。

3理想的负极材料长什么样

讨论一下，好的负极材料需要什么样的性质。

首先，具有低的放电平台，使得能有多种正极材料与之配合形成放电电压高的二次电池。这一个条件将很多材质挡在了门外。

其次，材料具备较多的孔穴结构，能够容纳锂离子，同时材质本身的分子量越小越好。这既与材质类型有关，也与材质实际物理结构有关。不能一概的说碳材料就没有硅材料容量大。当技术手段发展到足够高的水平，能够摆布分子原子级别的结构构成，结构将会比原子类型更重要；

再次，稳定性，结构的稳定性和化学性质的稳定性。一方面影响电池寿命，另一方面决定了电池的安全性。动力电池的安全性是重中之重，这个要求使得很多材质临时性能再好也不能得到重视。

最后，材料容易获得，换句话说，应该便宜。当然，很多新产品，最初都是昂贵的，但随着量的上升，生产成本也随之下降。我们当前的石墨负极锂电池就是最好的例子。