影響鋰離子電池碳負極材料電性能的兩個最關鍵因素石墨化程度與SEI膜致密程度,前者影響比容量,后者影響循環穩定性。單純用石墨材料無法兼顧二者。1)碳材料的石墨化程度高→比容量越大;2) 形成SEI膜致密程度適中→首效損失小,且避免溶劑分子嵌入,提升負極的循環穩定性。但二者性能無法兼得,原因為碳材料的石墨化程度越大, 而基底表面碳微晶邊、面之間存在較大的差別, 如: 存在與電解液反應導致電解液的分解, 進而破壞碳材料的結構, 以致不利于碳負極表面的致密鈍化膜的生成, 使得實際的放電容量, 首次充放電效率很低。
為了兼得比容量+循環穩定性,可通過碳包覆結合石墨本身的高比容+包覆材料的循環穩定。1)石墨作為負極,優點是比容量高,但會造成電解液的還原,影響體系的穩定;2)無定形碳作為負極, 優點是與電解液的反應少, 雖可生成比較致密的鈍化膜, 但比容量小。為了兼得二者優點, 普遍采用包覆技術制備具有核殼結構的碳材料, 即以高結晶度碳材料(例如石墨)為核材料, 以無定形碳材料為殼材料(包覆材料) ,各取其優點,起到既能抑制電解液的分解, 又能增加電池容量, 改善其循環特性的效果。
從材料性能看,包覆石油基可紡瀝青石墨化后,克容量更高+污染小,成為主流技術路線。無定形碳包覆材料主要有瀝青、酚醛樹脂等。其中酚醛樹脂包覆層與石墨基體結合的牢固性差,包覆層容易被破壞,效果不佳,因此并非主流路線。瀝青基經過交聯固化形成的多芳環結構化合物與石墨材料結構相似, 結合力強,提高了負極材料與電解液的相容性, 防止了溶劑的共嵌入, 分解和石墨結構剝離, 具有很高的可逆電化學容量, 提高了負極材料的首次庫侖效率和循環穩定性。瀝青基又分為煤基可紡瀝青和石油基可紡瀝青,其石油基瀝青石墨化后克容量更高且污染排放更小,因此目前負極碳包覆以石油基可紡瀝青為主流技術路線。