锂离子电池负极材料—硅负极材料研究

来源：存能电气  日期：2019-08-14 11:20  浏览量：次

　　锂离子电池负极材料—硅负极材料研究。负极作为其关键构成成分之一，直接决定了锂离子电池的性能，目前商业化锂电池负极材料主要为石墨类碳负极材料，其理论比容量仅为372mAh/g(LiC6)，严重限制了锂离子电池的进一步发展。硅基材料是在研负极材料中理论比容量最高的研究体系。

　　1、锂离子电池负极材料—硅基负极材料研究进展

　　硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应(>300%)，硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层SEI，最终导致电化学性能的恶化。

　　硅基负极材料被视为现有商业化碳负极材料的替代性产品之一，然而由于在充放电过程中存在较大的体积效应而无法商业化，为此研究人员进行了大量的改性研究。硅基负极材料研究人员普遍认为，当硅的尺度小到一定程度后，硅体积效应的影响就可以相对减小，且小颗粒的硅配以相应的分散技术，容易为硅颗粒预留足够的膨胀空间，因此硅的纳米化被认为是解决硅基负极材料商业化的重要途径。

　　要使硅基材料实现商业化应用，必须通过多种手段的复合改性，且需开发新型工程技术，实现规模化的可控制。

　　2、锂离子电池纳米硅碳负极材料

　　纳米硅碳作为锂离子电池负极材料,具有高储锂容量(其室温理论容量高达3580m?Ah/g,远超石墨(372mAh/g))、良好电子通道、较小应变及促使SEI膜稳定生长的环境。基于上述优点,该材料有望取代石墨成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料。

　　不可否认的是,它身上也存在着诸多问题:硅颗粒在脱嵌理时伴随着的体积膨胀和收缩而导致的颗粒粉化、脱落以及电化学性能失效;硅颗粒表面固体电解质层(SEI)的持续生长对电解液以及来自正极的理源的不可逆消耗等。

　　3、锂离子电池硅氧化物负极材料

　　工业原料硅氧化物(SiOx，0<x≤2)引起了人们的特别关注，最常见的如氧化亚硅(SiO，x≈1)，目前已经开始用于锂离子电池负极材料并展现出巨大的潜力。SiOx与碳石墨类材料相比，具有较高的比容量，与Si单质相比拥有良好的循环稳定性。为此，近些年来研究者们对硅氧化物负极材料做了大量的研究工作。

　　SiOx锂电池负极材料是一种极具有潜力的锂离子电池负极材料，提供高容量的超细纳米Si团簇均匀分散在SiOx基质中，且在首次嵌锂过程中，原位生成的Li4SiO4和Li2O惰性相包覆在纳米Si团簇外围，隔绝了Si与电解液的接触，起到了缓冲体积效应和保护电化学活性的纳米Si团簇的双重作用，因此令其综合具备高容量和长循环等性能。

　　4、硅碳负极材料

　　硅碳负极作为新型锂离子电池负极材料，在提升电池能量密度方面比当前石墨负极更高效。但是由于其在应用方面存在较高壁垒，所以在国内还处于产业化前期。国外方面，松下已经实现含硅碳负极材料的18650电池的量产，而特斯拉已经将硅碳负极应用于车用动力电池，硅碳负极材料应用前景越来越光明，未来硅碳负极材料很可能成为负极材料中的佼佼者。

　　总结：锂电池负极材料目前处于锂离子电池产业中最关键的环节。负极材料占比锂电池总成本的25%～28%。，在大规模的锂离子电池产业投资的带动下，锂离子电池负极材料的需求不断上升。硅负极相比石墨负极具有更高的质量能量密度和体积能量密度，因此硅负极材料将具有非常广阔的应用前景。