鋰離子電池負極材料—硅負極材料研究

來源：存能電氣  日期：2019-08-14 11:20  瀏覽量：次

　　鋰離子電池負極材料—硅負極材料研究。負極作為其關(guān)鍵構(gòu)成成分之一，直接決定了鋰離子電池的性能，目前商業(yè)化鋰電池負極材料主要為石墨類碳負極材料，其理論比容量僅為372mAh/g(LiC6)，嚴重限制了鋰離子電池的進一步發(fā)展。硅基材料是在研負極材料中理論比容量最高的研究體系。

　　1、鋰離子電池負極材料—硅基負極材料研究進展

　　硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負極材料，但由于其巨大的體積效應(yīng)(>300%)，硅電極材料在充放電過程中會粉化而從集流體上剝落，使得活性物質(zhì)與活性物質(zhì)、活性物質(zhì)與集流體之間失去電接觸，同時不斷形成新的固相電解質(zhì)層SEI，最終導(dǎo)致電化學(xué)性能的惡化。

　　硅基負極材料被視為現(xiàn)有商業(yè)化碳負極材料的替代性產(chǎn)品之一，然而由于在充放電過程中存在較大的體積效應(yīng)而無法商業(yè)化，為此研究人員進行了大量的改性研究。硅基負極材料研究人員普遍認為，當硅的尺度小到一定程度后，硅體積效應(yīng)的影響就可以相對減小，且小顆粒的硅配以相應(yīng)的分散技術(shù)，容易為硅顆粒預(yù)留足夠的膨脹空間，因此硅的納米化被認為是解決硅基負極材料商業(yè)化的重要途徑。

　　要使硅基材料實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，必須通過多種手段的復(fù)合改性，且需開發(fā)新型工程技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模化的可控制。

　　2、鋰離子電池納米硅碳負極材料

　　納米硅碳作為鋰離子電池負極材料,具有高儲鋰容量(其室溫理論容量高達3580m?Ah/g,遠超石墨(372mAh/g))、良好電子通道、較小應(yīng)變及促使SEI膜穩(wěn)定生長的環(huán)境。基于上述優(yōu)點,該材料有望取代石墨成為下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。

　　不可否認的是,它身上也存在著諸多問題:硅顆粒在脫嵌理時伴隨著的體積膨脹和收縮而導(dǎo)致的顆粒粉化、脫落以及電化學(xué)性能失效;硅顆粒表面固體電解質(zhì)層(SEI)的持續(xù)生長對電解液以及來自正極的理源的不可逆消耗等。

　　3、鋰離子電池硅氧化物負極材料

　　工業(yè)原料硅氧化物(SiOx，0<x≤2)引起了人們的特別關(guān)注，最常見的如氧化亞硅(SiO，x≈1)，目前已經(jīng)開始用于鋰離子電池負極材料并展現(xiàn)出巨大的潛力。SiOx與碳石墨類材料相比，具有較高的比容量，與Si單質(zhì)相比擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。為此，近些年來研究者們對硅氧化物負極材料做了大量的研究工作。

　　SiOx鋰電池負極材料是一種極具有潛力的鋰離子電池負極材料，提供高容量的超細納米Si團簇均勻分散在SiOx基質(zhì)中，且在首次嵌鋰過程中，原位生成的Li4SiO4和Li2O惰性相包覆在納米Si團簇外圍，隔絕了Si與電解液的接觸，起到了緩沖體積效應(yīng)和保護電化學(xué)活性的納米Si團簇的雙重作用，因此令其綜合具備高容量和長循環(huán)等性能。

　　4、硅碳負極材料

　　硅碳負極作為新型鋰離子電池負極材料，在提升電池能量密度方面比當前石墨負極更高效。但是由于其在應(yīng)用方面存在較高壁壘，所以在國內(nèi)還處于產(chǎn)業(yè)化前期。國外方面，松下已經(jīng)實現(xiàn)含硅碳負極材料的18650電池的量產(chǎn)，而特斯拉已經(jīng)將硅碳負極應(yīng)用于車用動力電池，硅碳負極材料應(yīng)用前景越來越光明，未來硅碳負極材料很可能成為負極材料中的佼佼者。

　　總結(jié)：鋰電池負極材料目前處于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。負極材料占比鋰電池總成本的25%～28%。，在大規(guī)模的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)投資的帶動下，鋰離子電池負極材料的需求不斷上升。硅負極相比石墨負極具有更高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，因此硅負極材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。