锂离子电池负极材料的新大陆—硅碳负极材料

来源：存能电气  日期：2019-09-04 16:05  浏览量：次

　　锂离子电池负极材料的新大陆—硅碳负极材料。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。新型硅碳负极锂离子电池突破了石墨作为负极的固有局限性，其性能明显优于传统锂离子电池，它已成为最有前途的储能电池之一，锂离子电池负极材料的新大陆。

　　什么是硅碳负极

　　由于硅是半导体结构材料，为了提供锂离子在硅电极材料中的扩散速度，就需要提高硅材料的导电性能，目前产业中所选择的就是成熟的碳材料。利用不同形态的碳材料来复合硅进行改性处理，使其构成均匀的导电网络结构，形成导电性好、附着性好、化学稳定性高的硅碳负极材料。

　　硅碳类材料的优点和缺点

　　石墨类负极作为主要的负极材料，应用已经非常广泛，但是石墨类负极材料容量已做到360mAh/g，已经接近372mAh/g的理论克容量，再想提升其空间已很难实现。而硅与碳化学性质相近，硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mA·h/g，远高于商业化石墨理论比容量，在地壳元素中储量非常丰富，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

　　但是，由于硅在充放电过程中容易产生体积膨胀，这限制了硅负极的商业化应用。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。

　　在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。

　　硅碳负极材料应用前景

　　近年来，我国锂离子电池产业发展迅速，全球市场份额不断攀升，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，采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升8%以上，体积能量密度可以提升10%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%，因此硅负极材料将具有非常广阔的应用前景。

　　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。

　　便携式消费电子领域也将是纳米硅碳负极材料大规模应用的另一个重要领域。目前智能手机已成为锂离子电池最大的应用领域。由于智能手机等也对锂离子电池的能量密度等提出了更高的要求，所以也将成为高比容量纳米硅碳负极材料的广阔市场。

　　同时，航空航天、船舶舰艇等领域也对锂离子电池提出了更高能量密度和功率密度的要求，而纳米硅碳材料也是现阶段最具有开发潜力的锂离子电池负极材料，其应用前景非常广阔。

　　硅碳负极优异的电化学性能吸引了许多负极材料厂商投入到硅碳材料的研发和生产当中，随着硅碳应用技术的不断成熟和电池对于能量密度要求的不断提高，单颗电芯内的硅碳含量将会不断增加，但将会在成本和能量密度之间寻求一个平衡。