电池负极材料是锂离子电池中负责储存和释放锂离子的关键组成部分。在放电过程中，锂离子从负极脱出并嵌入正极，电子则通过外电路传递形成电流；充电时这一过程逆向进行。
负极材料的性能直接影响电池的能量密度、循环寿命、安全性和成本。
理想的负极材料需具备以下特性：低电化学势（接近锂金属）、高比容量、低体积变化率、高电子/离子导电性、良好的化学稳定性及成本可控。
常见负极材料的分类与特性
1. 碳基材料
天然石墨
天然石墨是目前商业化锂离子电池最常用的负极材料之一，主要来源于石墨矿石经过选矿和提纯处理。
其晶体结构为层状排列，锂离子可以嵌入石墨层间形成LiC₆化合物，理论比容量为372 mAh/g。
天然石墨的优点是导电性好、成本较低（因原料易得），且具有较高的振实密度，有利于提高电池的体积能量密度。
然而，其缺点也很明显：在充放电过程中，锂离子的反复嵌入和脱出会导致石墨层间发生体积膨胀（约10%），长期循环后可能引发颗粒破裂，降低电池寿命。
人造石墨
人造石墨是通过高温石墨化处理（2800℃以上）石油焦、沥青焦等碳前驱体制备而成。
相比于天然石墨，其层状结构更加有序，晶格缺陷更少，因此具有更好的循环性能和一致性。
人造石墨的首次效率较高（通常≥95%），且由于经过表面修饰（如碳包覆），其倍率性能和低温性能优于天然石墨。
然而，人造石墨的制备工艺复杂，能耗高，导致成本较高。
硬碳
硬碳（非石墨化碳）是一种由高分子聚合物（如酚醛树脂）或生物质（如椰壳、木材）热解得到的无序碳材料。
其微观结构由石墨微晶和大量纳米孔隙组成，能够提供更多的储锂位点，因此理论比容量可达400~500 mAh/g，高于石墨类材料。
硬碳的优势在于其优异的快充性能和低温性能，因为其多孔结构有利于锂离子的快速传输。
此外，硬碳的振实密度较低，影响电池的体积能量密度，且成本较高，目前主要用于特殊应用场景（如低温电池、高功率电池）。
软碳
软碳（可石墨化碳）是一类在高温下可转化为石墨的碳材料，如中间相碳微球（MCMB）、石油焦等。
其结构比硬碳更有序，但尚未完全石墨化，因此容量介于石墨和硬碳之间（200~300 mAh/g）。
软碳的优势在于其良好的导电性和较低的成本，且首次效率较高（~90%）。
然而，由于其容量较低，目前主要作为石墨的补充材料，或用于混合负极体系（如软碳+硅）。
在钠离子电池中，软碳的表现不如硬碳，因此应用较少。
2. 硅基材料
单质硅（Si）
硅的理论比容量高达4200 mAh/g（Li₂₂Si₅），是石墨的10倍以上，因此被视为下一代高能量密度电池的理想负极材料。
然而，硅在充放电过程中会发生剧烈的体积变化（~300%），导致电极结构粉化、活性物质脱落，并不断破坏固体电解质界面（SEI膜），使得电池循环寿命急剧下降（通常少于100次）。
硅氧化物（SiOₓ）
SiOₓ（通常x≈1）是一种部分氧化的硅材料，其理论比容量约为1500 mAh/g，虽低于单质硅，但体积膨胀率较小（~160%），循环稳定性更好。
此外，SiOₓ在首次充放电时会生成Li₂O和Li₄SiO₄等缓冲相，进一步抑制结构破坏。
然而，SiOₓ的首次效率极低（通常60%~70%），需预锂化处理以补偿锂损失。
目前，SiOₓ通常与石墨复合使用（如SiOₓ/C），以提高整体容量（~500 mAh/g）。
3. 金属氧化物/合金类
钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂, LTO）
LTO是一种“零应变”材料，充放电过程中体积变化几乎为零，因此循环寿命极长（可达20,000次以上）。
其工作电压较高（1.55 V vs. Li⁺），避免了锂枝晶的形成，安全性极佳。
此外，LTO具有优异的快充性能（可10C充放电）和宽温性能（-30℃~60℃）。
然而，LTO的低理论容量（175 mAh/g）和高电压平台导致电池能量密度较低（仅为石墨体系的60%~70%），且成本较高（因含钛）。
锡基合金
锡基合金负极材料因其较高的理论容量和良好的导电性，在锂离子和钠离子电池中展现出广阔的应用前景。
这类材料主要通过合金化反应实现储能，但由于锡在充放电过程中会发生显著的体积膨胀，容易导致电极结构破坏和循环性能下降。
为改善这一问题，研究者通常采用纳米结构设计、碳基复合以及多元合金化等策略。
例如，将锡与碳材料复合可以缓解体积变化并提升导电性，而引入铜、铁等金属形成合金则有助于缓冲机械应力，增强结构稳定性。
此外，锡基材料与柔性导电基底的结合也被证明能有效提升电极的循环寿命。
4. 锂金属负极
锂金属负极材料因其极高的理论比容量（3860 mAh/g）和最低的电极电位（-3.04 V vs. SHE）被视为下一代高能量密度电池的理想选择。
其可直接作为电子载体参与反应，无需宿主材料，显著提升电池能量密度。
然而，锂枝晶生长、界面副反应和体积膨胀等问题导致循环稳定性差、安全风险高。