锂电负极材料以及高效的包覆改性方案介绍
锂离子电池主要由正极极片、负极极片、电解液以及隔膜组成，构成了一个传递电荷和储存能量的系统。之前我们分享了很多正极相关的扫描电镜分析结果，这次和大家聊聊负极。
负极极片是由负极浆料混匀后经过涂布、干燥、辊压和裁切制成，浆料由负极材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和去离子水混合，其中负极材料为活性物质。在电池放电时（使用电池的过程），负极材料会对外电路输出电子 e-，对内释放阳离子 Li+。
人造石墨和天然石墨如何区分
常见的商业化负极材料有石墨类、硅基类、钛基类等。
石墨类仍然是当前主流的锂离子电池负极材料，分为人造石墨和天然石墨，人造石墨出货量占据主导地位，主要用于动力电池和储能电池；天然石墨多用于 3C 电池。
天然石墨 SEM 图 人造石墨 SEM 图
各型号的石墨负极材料形貌多变，无法准确根据形貌判断其种类，需要使用离子研磨仪制备出颗粒剖面，使用扫描电镜观察微观形貌来进行判断。
离子研磨仪 Phenom Pharos G2
天然石墨剖面 SEM 图 人造石墨剖面 SEM 图
天然石墨是层状结构，剖面可观察内部的层状结构和大量空隙，而人造石墨为焦类通过高温石墨化制成，其内部致密、无缝隙。
未来理想的负极材料 —— 硅基负极材料
目前高端天然石墨首次容量 ≥360mAh/g，接近理论极限 372mAh/g，但仍难以满足日益增长的高能量密度要求。而硅理论比容量高达 4200mAh/g，是未来理想的负极材料。
用硅做负极虽然比容量高，但却存在巨大的体积效应（完全嵌锂状态下，体积膨胀高达 300%），硅颗粒会在充放电循环后出现粉化和脱落现象，使得活性物质之间、活性物质与集流体之间失去电接触，最终导致电池容量急剧衰减。
为了减少硅的体积膨胀，通常采用多种方式，例如纳米硅、多孔硅、硅碳复合等。目前硅氧（SiOx）复合材料和硅碳（Si/C）复合材料是硅基负极的主要技术路线。
硅氧复合材料采用 SiOx 和石墨材料混合，相比于硅材料，SiOx 在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小，石墨也进一步缓冲体积膨胀的影响。
SiOx 复合材料制备的负极极片剖面BSD 图（左）能谱面扫 O 元素分布图（中）和 Si 元素分布图（右）
硅碳复合材料采用纳米硅和石墨材料混合，纳米硅低于 150nm 的临界粒径时，可有效减少粉化，也缩短锂离子扩散距离。
硅碳（Si/C）复合材料 SEM 图
主流的商业化硅基材料首次容量 ≥600 mAh/g，新型硅碳材料比容量 1500~1800 mAh/g。虽然容量有极大的提升，但硅基材料的循环寿命仍远不及石墨材料，目前来看，两种材料仍然需要改进。
负极材料 ALD 包覆改性方案
石墨作为成熟的商业化负极材料，石墨层间距小于层状含锂化合物的晶面层间距，在充放电过程中，石墨层由于锂离子的嵌入和脱嵌，层间距改变，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生有机溶剂共嵌入石墨层或有机溶剂分解，影响电池循环性能。
沥青包覆是石墨负极开发的第一个具有成本效益的涂层技术，因此它是当今大多数石墨生产商使用的技术。但考虑到下一代电池的开发，沥青包覆越来越无法满足负极材料的发展需求。
包括大众、LG Chem、Sumitomo、Mitsui、Nouveau Monde Graphite、Gratomic 和Mineral Resource Commodities 在内的众多企业都不想使用沥青涂层。他们需要在效果与成本上都比沥青有优势的现有可行技术，Forge Nano 以其专有的 ALD （原子层沉积技术）实现了这一目的。
利用空间式连续式振动床实现石墨包覆
原子层沉积技术可通过交替式的通入气相前驱体，从而实现基底表面可控的涂层材料原位生长。而如何对大规模的粉末材料进行 ALD 包覆，则是行业内的难题。Forge Nano 通过多年的技术积累，利用空间式连续振东床实现石墨包覆，是目前全球唯一掌握解决方案的企业。
使用原子层沉积技术气相工艺（金属氧化物）代替碳沥青，达到 100% 的可重复性的同时降低 50%-70% 的加工成本。这一工艺规模可扩大至单系统 4,000 吨/年的石墨加工量。
ALD 包覆对初始容量的提升优于沥青包覆
ALD 包覆提升循环使用寿命效果优于沥青包覆
随着人们对锂离子电池性能要求越来越高，对制备锂离子电池负极材料的要求也越来越严格。因此这就要求，一方面需要寻求安全性能和循环性能更加优异的替代物，另一方面需要对现有负极材料进行性能改进。
负极极片是由负极浆料混匀后经过涂布、干燥、辊压和裁切制成，浆料由负极材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和去离子水混合，其中负极材料为活性物质。在电池放电时（使用电池的过程），负极材料会对外电路输出电子 e-，对内释放阳离子 Li+。
负极极片 SEM 图
人造石墨和天然石墨如何区分
常见的商业化负极材料有石墨类、硅基类、钛基类等。
石墨类仍然是当前主流的锂离子电池负极材料，分为人造石墨和天然石墨，人造石墨出货量占据主导地位，主要用于动力电池和储能电池；天然石墨多用于 3C 电池。
天然石墨 SEM 图 人造石墨 SEM 图
各型号的石墨负极材料形貌多变，无法准确根据形貌判断其种类，需要使用离子研磨仪制备出颗粒剖面，使用扫描电镜观察微观形貌来进行判断。
离子研磨仪 Phenom Pharos G2
天然石墨剖面 SEM 图 人造石墨剖面 SEM 图
天然石墨是层状结构，剖面可观察内部的层状结构和大量空隙，而人造石墨为焦类通过高温石墨化制成，其内部致密、无缝隙。
未来理想的负极材料 —— 硅基负极材料
目前高端天然石墨首次容量 ≥360mAh/g，接近理论极限 372mAh/g，但仍难以满足日益增长的高能量密度要求。而硅理论比容量高达 4200mAh/g，是未来理想的负极材料。
用硅做负极虽然比容量高，但却存在巨大的体积效应（完全嵌锂状态下，体积膨胀高达 300%），硅颗粒会在充放电循环后出现粉化和脱落现象，使得活性物质之间、活性物质与集流体之间失去电接触，最终导致电池容量急剧衰减。
为了减少硅的体积膨胀，通常采用多种方式，例如纳米硅、多孔硅、硅碳复合等。目前硅氧（SiOx）复合材料和硅碳（Si/C）复合材料是硅基负极的主要技术路线。
硅氧复合材料采用 SiOx 和石墨材料混合，相比于硅材料，SiOx 在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小，石墨也进一步缓冲体积膨胀的影响。
SiOx 复合材料制备的负极极片剖面BSD 图（左）能谱面扫 O 元素分布图（中）和 Si 元素分布图（右）
硅碳复合材料采用纳米硅和石墨材料混合，纳米硅低于 150nm 的临界粒径时，可有效减少粉化，也缩短锂离子扩散距离。
硅碳（Si/C）复合材料 SEM 图
主流的商业化硅基材料首次容量 ≥600 mAh/g，新型硅碳材料比容量 1500~1800 mAh/g。虽然容量有极大的提升，但硅基材料的循环寿命仍远不及石墨材料，目前来看，两种材料仍然需要改进。
负极材料 ALD 包覆改性方案
石墨作为成熟的商业化负极材料，石墨层间距小于层状含锂化合物的晶面层间距，在充放电过程中，石墨层由于锂离子的嵌入和脱嵌，层间距改变，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生有机溶剂共嵌入石墨层或有机溶剂分解，影响电池循环性能。
沥青包覆是石墨负极开发的第一个具有成本效益的涂层技术，因此它是当今大多数石墨生产商使用的技术。但考虑到下一代电池的开发，沥青包覆越来越无法满足负极材料的发展需求。
包括大众、LG Chem、Sumitomo、Mitsui、Nouveau Monde Graphite、Gratomic 和Mineral Resource Commodities 在内的众多企业都不想使用沥青涂层。他们需要在效果与成本上都比沥青有优势的现有可行技术，Forge Nano 以其专有的 ALD （原子层沉积技术）实现了这一目的。
利用空间式连续式振动床实现石墨包覆
原子层沉积技术可通过交替式的通入气相前驱体，从而实现基底表面可控的涂层材料原位生长。而如何对大规模的粉末材料进行 ALD 包覆，则是行业内的难题。Forge Nano 通过多年的技术积累，利用空间式连续振东床实现石墨包覆，是目前全球唯一掌握解决方案的企业。
使用原子层沉积技术气相工艺（金属氧化物）代替碳沥青，达到 100% 的可重复性的同时降低 50%-70% 的加工成本。这一工艺规模可扩大至单系统 4,000 吨/年的石墨加工量。
该方案通过 Forge Nano 与众多锂电企业的实验级、中试和生产系统的验证，并在容量超过 40Ah 的商业电池中进行电化学测试，均取得了优于沥青包覆的测试结果。
ALD 包覆对初始容量的提升优于沥青包覆
ALD 包覆提升循环使用寿命效果优于沥青包覆
随着人们对锂离子电池性能要求越来越高，对制备锂离子电池负极材料的要求也越来越严格。因此这就要求，一方面需要寻求安全性能和循环性能更加优异的替代物，另一方面需要对现有负极材料进行性能改进。
