鋰離子電池負極材料的新大陸—硅碳負極材料

來源：存能電氣  日期：2019-09-04 16:05  瀏覽量：次

　　鋰離子電池負極材料的新大陸—硅碳負極材料。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)。新型硅碳負極鋰離子電池突破了石墨作為負極的固有局限性，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池，它已成為最有前途的儲能電池之一，鋰離子電池負極材料的新大陸。

　　什么是硅碳負極

　　由于硅是半導體結(jié)構(gòu)材料，為了提供鋰離子在硅電極材料中的擴散速度，就需要提高硅材料的導電性能，目前產(chǎn)業(yè)中所選擇的就是成熟的碳材料。利用不同形態(tài)的碳材料來復合硅進行改性處理，使其構(gòu)成均勻的導電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，形成導電性好、附著性好、化學穩(wěn)定性高的硅碳負極材料。

　　硅碳類材料的優(yōu)點和缺點

　　石墨類負極作為主要的負極材料，應用已經(jīng)非常廣泛，但是石墨類負極材料容量已做到360mAh/g，已經(jīng)接近372mAh/g的理論克容量，再想提升其空間已很難實現(xiàn)。而硅與碳化學性質(zhì)相近，硅在常溫下可與鋰合金化，生成Li15Si4相，理論比容量高達3572mA·h/g，遠高于商業(yè)化石墨理論比容量，在地殼元素中儲量非常豐富，成本低、環(huán)境友好，因而硅負極材料一直備受科研人員關(guān)注，是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。

　　但是，由于硅在充放電過程中容易產(chǎn)生體積膨脹，這限制了硅負極的商業(yè)化應用。碳質(zhì)負極材料在充放電過程中體積變化較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能，而且碳質(zhì)負極材料本身是離子與電子的混合導體；另外，硅與碳化學性質(zhì)相近，二者能緊密結(jié)合，因此碳常用作與硅復合的首選基質(zhì)。

　　在Si/C復合體系中，Si顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲鋰容量；既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化，又能改善Si質(zhì)材料的導電性，還能避免Si顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團聚。因此Si/C復合材料綜合了二者的優(yōu)點，表現(xiàn)出高比容量和較長循環(huán)壽命，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。

　　硅碳負極材料應用前景

　　近年來，我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全球市場份額不斷攀升，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，采用硅負極材料的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度可以提升8%以上，體積能量密度可以提升10%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%，因此硅負極材料將具有非常廣闊的應用前景。

　　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)將硅碳負極應用于車用動力電池，硅碳負極材料應用前景越來越光明，未來硅碳負極材料很可能成為負極材料中的佼佼者。

　　便攜式消費電子領(lǐng)域也將是納米硅碳負極材料大規(guī)模應用的另一個重要領(lǐng)域。目前智能手機已成為鋰離子電池最大的應用領(lǐng)域。由于智能手機等也對鋰離子電池的能量密度等提出了更高的要求，所以也將成為高比容量納米硅碳負極材料的廣闊市場。

　　同時，航空航天、船舶艦艇等領(lǐng)域也對鋰離子電池提出了更高能量密度和功率密度的要求，而納米硅碳材料也是現(xiàn)階段最具有開發(fā)潛力的鋰離子電池負極材料，其應用前景非常廣闊。

　　硅碳負極優(yōu)異的電化學性能吸引了許多負極材料廠商投入到硅碳材料的研發(fā)和生產(chǎn)當中，隨著硅碳應用技術(shù)的不斷成熟和電池對于能量密度要求的不斷提高，單顆電芯內(nèi)的硅碳含量將會不斷增加，但將會在成本和能量密度之間尋求一個平衡。