1. 目前最常用的負極材料：石墨
手機和電腦中的鋰離子電池幾乎都採用石墨作為負極。為什麼選擇石墨？
• 優點：石墨堪稱「老將」－其層狀結構（類似一疊紙）使鋰離子能夠輕鬆「鑽」入層間並保持穩定（形成LiC₆化合物）。此外，石墨成本低廉、化學性質穩定，充放電過程中體積變化極小（僅約10%），且循環壽命長（通常可進行超過1000次充放電循環）。
• 缺點：儲能容量有限－理論上，1克石墨最多只能儲能372毫安時（技術上稱為「比容量372毫安培時/克」），難以滿足電動車「續航里程翻倍」的需求。
2. 新興「潛力股」：矽基材料
為了提升電池容量，科學家開始將目光轉向矽——它的「儲存容量」是石墨（理論比容量4200 mAh/g）的10倍以上。 1克矽可以儲存比石墨多10倍的鋰離子！ • 為什麼矽未能廣泛應用？矽有一個致命的問題：「儲存膨脹」。當鋰離子進入矽時，其體積會膨脹300%（相當於蘋果膨脹成西瓜），導致材料破裂，電池很快就會報廢。
• 解決方案：科學家正在為矽添加一層保護層——例如，將矽製成奈米顆粒（以降低膨脹應力）、將其與石墨（一種矽碳複合材料）混合，或在其表面塗覆一層碳（以穩定其結構）。目前，一些電動車電池正在添加少量矽（5%-10%），這可以將電池壽命延長10%-20%。
3. 著重「安全與長壽」：鈦基材料（鈦酸鋰）
在某些應用領域（例如公車和儲能電站），電池的安全性和長壽至關重要。鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂，縮寫為LTO）正是為此而生。 • 優點：它是一種「零應變」材料－鋰離子進出時，其體積幾乎保持不變（<1%），從而擁有極長的循環壽命（超過10,000次充放電循環）。其高工作電壓（相對於鋰金屬為1.55V）可防止因電壓過低而導致石墨材料形成危險的鋰枝晶（枝晶可能刺穿電池並導致短路）。
• 缺點：其「儲存容量」較小（僅175mAh/g，不到石墨的一半），導電性差，充電速度慢，主要適用於壽命和安全性要求高但能量密度較低的應用。
4. 其他“潛在玩家”
除了上述材料外，科學家們還在研究矽的「親戚」（例如錫和鍺，它們也具有較高的比容量，但存在體積膨脹問題）、二維材料（例如MXenes，它們具有優異的導電性，可以在層間儲存更多的鋰離子）以及黑磷（其理論容量是石墨的七倍，但易氧化）。這些材料目前處於實驗室階段，需要解決穩定性和成本等問題。
目前，石墨憑藉其均衡的性能（容量、壽命和成本），佔據了超過90%的商業市場。矽基材料憑藉其高容量（4200 mAh/g）成為下一代負極材料的核心方向（預計到2030年矽含量將超過20%）。鈦基材料（LTO）適用於對安全性和壽命要求極高的應用，例如儲能和商用汽車。負極材料的未來發展趨勢是複合材料（例如矽碳複合材料和碳鈦複合材料）。公司透過多種材料的協同效應，彌補單一材料的不足，實現高容量、長壽命和低膨脹之間的平衡。在技術突破和政策支援下，鋰電池負極材料正引領新能源產業邁向更高能量密度、更高安全性和更永續的未來。