碳材料在锂电池中的应用

炭材料是主要以煤、石油或它们的加工产物等有机物质作为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料，其主要成分是碳。金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管、炭/炭复合材料都属于炭材料。

碳材料在锂电池中的应用如下：

碳材料是锂电池，特别是当前商用锂离子电池中不可或缺的关键材料，主要应用在负极、导电添加剂和正极复合材料等方面。

作为负极材料 (核心应用)

这是碳材料最重要、最广泛的应用。

石墨类材料：目前几乎所有商用锂离子电池的负极都采用石墨或其衍生材料。

工作原理：锂离子在充电时可以嵌入到石墨的层状结构中间，形成锂碳层间化合物（LiC₆）；放电时再脱嵌出来。这个过程高度可逆，提供了稳定的充放电平台。

使用石墨作为负极优点很多：来源广泛、成本较低、循环寿命长、电压平台平稳、安全性较好。包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球（MCMB）等。

另外一些碳类的负极材料，如，硬碳/软碳。他们是一些无序结构的碳材料，虽然容量可能比石墨更高，但首次效率较低且电压平台略高，通常用于某些特定场景（如钠离子电池负极或对功率要求不高的设备）。

几乎所有电极（包括正极和负极）中都会添加少量（通常1%-5%）的碳材料作为导电剂。

导电剂的作用：主要目的就是为了提高导电性，很明显的可以降低内阻，提高倍率性能。

常见的到导电剂有（如炭黑、Super P、科琴黑、碳纳米管、石墨烯），

其中最常用的是乙炔黑和Super P等炭黑；高端电池会使用碳纳米管（CNTs） 和石墨烯，它们能以更少的添加量形成更优越的三维导电网络。

在一些新型正极材料中，碳材料扮演着重要角色。

硫正极宿主：在锂硫电池中，单质硫不导电且中间产物会溶解。多孔碳材料（如多孔碳、石墨烯）被用作“宿主”，一方面提供导电通道，另一方面利用其孔隙限制硫并吸附多硫化物，缓解“穿梭效应”。

空气正极载体：在锂空气电池中，多孔碳作为催化剂的载体和反应场所，为氧气的还原和析出提供三相反应界面。

正极材料的包覆：例如在磷酸铁锂表面包覆碳，提高材料的导电性。现在碳包覆的技术是正极材料改性中性价比较高的，且技术较为成熟。

集流体涂层：在铜箔或铝箔集流体上涂覆一层薄碳涂层，可以增强活性材料与集流体之间的附着力，减少接触电阻，并抑制集流体的腐蚀。

双电层电容效应：某些具有极大比表面积的碳材料（如活性炭）可以在电极/电解液界面形成双电层，提供额外的表面电容，贡献一部分容量。

可以看出，碳材料在锂电池的应用还是很广的。另外，碳材料在其他方面同样应用广泛，例如，金刚石，因其高硬度用于切割以及珠宝装饰；碳纤维，强度高、重量轻的材料，常用于航空航天、汽车和体育器材等领域。