鋰離子電池負(fù)極材料—硅負(fù)極材料研究

來(lái)源：存能電氣  日期：2019-08-14 11:20  瀏覽量：次

　　鋰離子電池負(fù)極材料—硅負(fù)極材料研究。負(fù)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(fù)極材料主要為石墨類碳負(fù)極材料，其理論比容量?jī)H為372mAh/g(LiC6)，嚴(yán)重限制了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。硅基材料是在研負(fù)極材料中理論比容量最高的研究體系。

　　1、鋰離子電池負(fù)極材料—硅基負(fù)極材料研究進(jìn)展

　　硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)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(guò)程中會(huì)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(shí)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(fù)極材料被視為現(xiàn)有商業(yè)化碳負(fù)極材料的替代性產(chǎn)品之一，然而由于在充放電過(guò)程中存在較大的體積效應(yīng)而無(wú)法商業(yè)化，為此研究人員進(jìn)行了大量的改性研究。硅基負(fù)極材料研究人員普遍認(rèn)為，當(dāng)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(duì)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(rèn)為是解決硅基負(fù)極材料商業(yè)化的重要途徑。

　　要使硅基材料實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，必須通過(guò)多種手段的復(fù)合改性，且需開(kāi)發(fā)新型工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；目煽刂?。

　　2、鋰離子電池納米硅碳負(fù)極材料

　　納米硅碳作為鋰離子電池負(fù)極材料,具有高儲(chǔ)鋰容量(其室溫理論容量高達(dá)3580m?Ah/g,遠(yuǎn)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(zhǎng)的環(huán)境?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn),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(fù)極材料。

　　不可否認(rèn)的是,它身上也存在著諸多問(wèn)題:硅顆粒在脫嵌理時(shí)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(zhǎng)對(duì)電解液以及來(lái)自正極的理源的不可逆消耗等。

　　3、鋰離子電池硅氧化物負(fù)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(jiàn)的如氧化亞硅(SiO，x≈1)，目前已經(jīng)開(kāi)始用于鋰離子電池負(fù)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(lái)研究者們對(duì)硅氧化物負(fù)極材料做了大量的研究工作。

　　SiOx鋰電池負(fù)極材料是一種極具有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料，提供高容量的超細(xì)納米Si團(tuán)簇均勻分散在SiOx基質(zhì)中，且在首次嵌鋰過(guò)程中，原位生成的Li4SiO4和Li2O惰性相包覆在納米Si團(tuán)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(hù)電化學(xué)活性的納米Si團(tuán)簇的雙重作用，因此令其綜合具備高容量和長(zhǎng)循環(huán)等性能。

　　4、硅碳負(fù)極材料

　　硅碳負(fù)極作為新型鋰離子電池負(fù)極材料，在提升電池能量密度方面比當(dāng)前石墨負(fù)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(guó)內(nèi)還處于產(chǎn)業(yè)化前期。國(guó)外方面，松下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)含硅碳負(fù)極材料的18650電池的量產(chǎn)，而特斯拉已經(jīng)將硅碳負(fù)極應(yīng)用于車用動(dòng)力電池，硅碳負(fù)極材料應(yīng)用前景越來(lái)越光明，未來(lái)硅碳負(fù)極材料很可能成為負(fù)極材料中的佼佼者。

　　總結(jié)：鋰電池負(fù)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(fù)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(dòng)下，鋰離子電池負(fù)極材料的需求不斷上升。硅負(fù)極相比石墨負(fù)極具有更高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，因此硅負(fù)極材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。