鋰離子電池重要負(fù)極材料有錫基材料、鋰基材料、鈦酸鋰、碳納米材料、石墨烯材料等。鋰離子電池負(fù)極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的重要因素之一，鋰離子電池的正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜被稱(chēng)為鋰離子電池的四個(gè)最核心材料。

碳納米管

碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，同時(shí)由于其脫嵌鋰時(shí)深度小、行程短，作為負(fù)極材料在大倍率充放電時(shí)極化用途較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

然而，碳納米管直接作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問(wèn)題。如Ng等采用簡(jiǎn)單的過(guò)濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負(fù)極材料，其

碳納米管在負(fù)極中的另一個(gè)應(yīng)用是與其他負(fù)極材料（石墨類(lèi)、鈦酸鋰、錫基、硅基等）復(fù)合，利用其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)作為載體改善其他負(fù)極材料的電性能。如郭等采用化學(xué)氣相沉積法，在膨脹石墨的孔洞中原位生長(zhǎng)碳納米管，合成了膨脹石墨/碳納米管復(fù)合材料，其首次可逆容量為443mAh/g，以1C倍率充放電循環(huán)50次后，可逆容量仍可達(dá)到259mAh/g。碳納米管的中空結(jié)構(gòu)及膨脹石墨的孔洞，供應(yīng)了大量的鋰活性位，而且這種結(jié)構(gòu)能緩沖材料在充放電過(guò)程中出現(xiàn)的體積效應(yīng)。

石墨烯

2004年英國(guó)Manchester大學(xué)研究者首次發(fā)現(xiàn)石墨烯材料，并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。石墨烯是一種由碳六元環(huán)形成的新型碳材料,具有很多優(yōu)異的性能，如大比表面（約2600m2g-1）、高導(dǎo)熱系數(shù)（約5300Wm-1K-1）、高電子導(dǎo)電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機(jī)械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關(guān)注。

石墨烯直接作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，具有非常可觀的電化學(xué)性能。試驗(yàn)室曾采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高于0.5V電壓區(qū)間，表現(xiàn)出電容器的特性。

石墨烯負(fù)極材料在1C放電倍率下,首次可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環(huán)后容量仍可達(dá)到460mAh/g。石墨烯還可作為導(dǎo)電劑，與其他負(fù)極材料復(fù)合，提高負(fù)極材料的電化學(xué)性能。如Zai等采用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經(jīng)過(guò)700次循環(huán)后，容量分別能達(dá)到450mAh/g和315mAh/g，表現(xiàn)出較高的容量和良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰

尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負(fù)極材料，因具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎零應(yīng)變（脫嵌鋰前后晶胞參數(shù)a從0.836nm僅變?yōu)?.837nm）；

2）嵌鋰電位較高（1.55V），防止鋰枝晶出現(xiàn)，安全性較高；

3）具有很平坦的電壓平臺(tái)；

4）化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)和庫(kù)倫效率高。

鈦酸鋰的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了其具有優(yōu)異的循環(huán)性能和較高的安全性，然而，其導(dǎo)電性不高、大電流充放電時(shí)容量衰減嚴(yán)重，通常采用表面改性或摻雜來(lái)提高其電導(dǎo)率。如肖等以Mg(NO3)2為鎂源，通過(guò)固相法制備了Mg2+摻雜的鈦酸鋰，表明摻雜Mg2+并沒(méi)有破壞鈦酸鋰的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，且摻雜后材料的分散性更佳，其在10C放電倍率下的比容量可達(dá)到83.8mAh/g，是未摻雜材料的2.2倍，且經(jīng)過(guò)10次充放電循環(huán)后容量無(wú)明顯衰減，經(jīng)交流阻抗測(cè)試表明，摻雜后材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻明顯降低。Zheng等通過(guò)高溫固相法，分別采用Li2CO3和檸檬酸鋰作為鋰源，制備了純相的鈦酸鋰和碳包覆的鈦酸鋰。

實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)碳包覆的鈦酸鋰具有較小的粒徑和良好的分散性，表現(xiàn)出更優(yōu)的電化學(xué)性能，重要?dú)w因于碳包覆提高了鈦酸鋰顆粒表面的電子電導(dǎo)率，同時(shí)較小的粒徑縮短了Li+的擴(kuò)散路徑。

硅基材料

硅作為鋰離子電池理想的負(fù)極材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲(chǔ)鋰比容量高達(dá)4200mAh/g（超過(guò)石墨比容量的10倍）；

2）硅的嵌鋰電位（0.5V）略高于石墨，在充電時(shí)難以形成鋰枝晶；

3）硅與電解液反應(yīng)活性低，不會(huì)發(fā)生有機(jī)溶劑的共嵌入現(xiàn)象。

然而，硅電極在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生循環(huán)性能下降和容量衰減，重要有兩大原因：

1）硅與鋰生成Li4.4Si合金時(shí)，體積膨脹高達(dá)320%，巨大的體積變化易導(dǎo)致活性物質(zhì)從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環(huán)性能迅速下降；

2）電解液中的LiPF6分解出現(xiàn)的微量HF會(huì)腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。

為了提高硅電極的電化學(xué)性能，通常有如下途徑：制備硅納米材料、合金材料和復(fù)合材料。如Ge等采用化學(xué)刻蝕法制備了硼摻雜的硅納米線(xiàn)，在2A/g充放電電流下，循環(huán)250周后容量仍可達(dá)到2000mAh/g，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，歸因于硅納米線(xiàn)的鋰脫嵌機(jī)制能有效緩解循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹。Liu等通過(guò)高能球磨法制備了Si-NiSi-Ni復(fù)合物，然后利用HNO3溶解復(fù)合物中的Ni單質(zhì)，得到了多孔結(jié)構(gòu)的Si-NiSi復(fù)合物。

通過(guò)XRD表征可知，體系中存在NiSi合金，其不僅為負(fù)極材料供應(yīng)了可逆容量，還與粒子內(nèi)部的孔隙協(xié)同，緩沖硅在充放電循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹，提高硅電極的循環(huán)性能。Lee等采用酚醛樹(shù)脂為碳源，在氬氣氣氛下于700℃高溫裂解，制備了核殼型Si/C復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)10次循環(huán)后復(fù)合物的可逆容量仍可達(dá)1029mAh/g，表明采用Na2CO3在硅表面與酚醛樹(shù)脂間形成共價(jià)鍵，然后進(jìn)行高溫裂解，可改善硅與裂解碳間的接觸，從而提高負(fù)極材料的循環(huán)性、減小不可逆容量損失。