鋰離子電池負(fù)極材料的新大陸—硅碳負(fù)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(fù)極材料的新大陸—硅碳負(fù)極材料。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)。新型硅碳負(fù)極鋰離子電池突破了石墨作為負(fù)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(chǔ)能電池之一，鋰離子電池負(fù)極材料的新大陸。

　　什么是硅碳負(fù)極

　　由于硅是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料，為了提供鋰離子在硅電極材料中的擴(kuò)散速度，就需要提高硅材料的導(dǎo)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(fù)合硅進(jìn)行改性處理，使其構(gòu)成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成導(dǎo)電性好、附著性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的硅碳負(fù)極材料。

　　硅碳類材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　石墨類負(fù)極作為主要的負(fù)極材料，應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是石墨類負(fù)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(shí)現(xiàn)。而硅與碳化學(xué)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(dá)3572mA·h/g，遠(yuǎn)高于商業(yè)化石墨理論比容量，在地殼元素中儲(chǔ)量非常豐富，成本低、環(huán)境友好，因而硅負(fù)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(fù)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(fù)極的商業(yè)化應(yīng)用。碳質(zhì)負(fù)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(fù)極材料本身是離子與電子的混合導(dǎo)體；另外，硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近，二者能緊密結(jié)合，因此碳常用作與硅復(fù)合的首選基質(zhì)。

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

　　硅碳負(fù)極材料應(yīng)用前景

　　近年來，我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全球市場(chǎng)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(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，采用硅負(fù)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(shí)每千瓦時(shí)電池的成本可以下降至少3%，因此硅負(fù)極材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　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)用前景越來越光明，未來硅碳負(fù)極材料很可能成為負(fù)極材料中的佼佼者。

　　便攜式消費(fèi)電子領(lǐng)域也將是納米硅碳負(fù)極材料大規(guī)模應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。目前智能手機(jī)已成為鋰離子電池最大的應(yīng)用領(lǐng)域。由于智能手機(jī)等也對(duì)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(fù)極材料的廣闊市場(chǎng)。

　　同時(shí)，航空航天、船舶艦艇等領(lǐng)域也對(duì)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(fù)極材料，其應(yīng)用前景非常廣闊。

　　硅碳負(fù)極優(yōu)異的電化學(xué)性能吸引了許多負(fù)極材料廠商投入到硅碳材料的研發(fā)和生產(chǎn)當(dāng)中，隨著硅碳應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟和電池對(duì)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(huì)不斷增加，但將會(huì)在成本和能量密度之間尋求一個(gè)平衡。