淺析硅碳負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用

鋰離子電池因其優(yōu)異的性能已經(jīng)在便攜式消費(fèi)電子、電動(dòng)工具、醫(yī)療電子等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，在純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及儲(chǔ)能等領(lǐng)域也顯示了良好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在商業(yè)化的鋰離子電池主要是以石墨為負(fù)極材料。但是，近年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵啬芰棵芏鹊男枨箫w速提高，迫切需要開(kāi)發(fā)出更高能量密度的鋰離子電池。所以開(kāi)發(fā)更高能量密度的負(fù)極材料迫在眉睫。

▍為什么要用硅碳作為負(fù)極材料？

碳和硅材料的性能

從上表可以看出硅材料的質(zhì)量比容量最高可達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于負(fù)極材料理論比容最高的材料。并且硅材料環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富、成本較低。但是硅負(fù)極材料存在的問(wèn)題有循環(huán)壽命低、體積變化大、持續(xù)產(chǎn)生SEI膜，而硅碳負(fù)極材料可以有效改善這些問(wèn)題，所以硅碳負(fù)極材料是未來(lái)負(fù)極材料的發(fā)展重點(diǎn)無(wú)疑。

▍硅碳材料是如何復(fù)合的？

硅碳負(fù)極材料按結(jié)構(gòu)類型主要分為：

1.包覆型硅碳負(fù)極

包覆型硅碳負(fù)極材料往往是將不同納米結(jié)構(gòu)的硅材料進(jìn)行碳包覆，這類材料以硅為主體提供可逆容量，碳層主要作為緩沖層以減輕體積效應(yīng)，同時(shí)增強(qiáng)導(dǎo)電性。碳包覆層通常為無(wú)定形碳。

2.負(fù)載型硅碳負(fù)極

負(fù)載型負(fù)極材料通常是在不同結(jié)構(gòu)的碳材料(如碳纖維、碳納米管、石墨烯等)表面或內(nèi)部，負(fù)載或者嵌入硅薄膜、硅顆粒等，這類硅碳復(fù)合材料中，碳材料往往起到結(jié)構(gòu)支撐的力學(xué)作用，它們良好的機(jī)械性能有利于硅在循環(huán)中的體積應(yīng)力釋放，形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高了電極整體的電子電導(dǎo)率。

3.分散型硅碳負(fù)極

分散型硅碳負(fù)極材料是一種較為寬泛的復(fù)合材料體系，包括硅與不同材料的物理混合，也涵蓋硅碳元素形成分子接觸的高度均勻分散復(fù)合物體系。事實(shí)證明將硅材料均勻分散到碳緩沖基質(zhì)中，可以一定程度抑制硅的體積膨脹。

▍硅碳負(fù)極材料的研究難點(diǎn)是？

體積膨脹導(dǎo)致的循環(huán)壽命、安全問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題又會(huì)產(chǎn)生新的關(guān)于制備、成本的問(wèn)題。

在充放電過(guò)程中，硅的體積會(huì)膨脹100%-300%，不斷的收縮膨脹會(huì)造成硅碳負(fù)極材料的粉末化，嚴(yán)重影響電池壽命。硅的膨脹會(huì)在電池內(nèi)部去產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)對(duì)極片造成擠壓，從而出現(xiàn)極片斷裂；還會(huì)造成電池內(nèi)部孔隙率降低，促使金屬鋰析出，影響電池的安全性。

解決體積膨脹的問(wèn)題可以通過(guò)控制碳材料中硅的含量、減小硅體積到納米級(jí)；或改變石墨質(zhì)地、形態(tài)，實(shí)現(xiàn)碳和硅的最佳匹配；或者采用其他物質(zhì)對(duì)硅進(jìn)行包覆，促進(jìn)膨脹后的復(fù)原；還可以采用更適宜的電極材料等一系列方法來(lái)減少硅膨脹帶來(lái)的諸多問(wèn)題。

實(shí)踐證實(shí)，要想取得比較理想的電化學(xué)性能，復(fù)合材料中的硅顆粒粒徑不能超過(guò)200-300nm。但是在比表面、粒徑分布、雜質(zhì)以及表面鈍化層厚度等關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)壁壘都很高，國(guó)內(nèi)廠家目前還達(dá)不到，而外購(gòu)納米硅粉成本極高。

▍硅碳負(fù)極材料發(fā)展到什么程度了？

國(guó)外部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硅碳負(fù)極材料的量產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)企業(yè)在硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化方面動(dòng)作相對(duì)慢一點(diǎn)。杉杉股份、江西紫宸、深圳貝特瑞等早已布局硅碳負(fù)極材料的生產(chǎn)，目前已推出幾款硅碳負(fù)極材料，且具有一定產(chǎn)能，CATL、比亞迪、國(guó)軒高科、力神、比克、星城石墨、萬(wàn)向A123、微宏動(dòng)力等企業(yè)硅碳負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也都在推進(jìn)中。

目前硅碳負(fù)極材料的總產(chǎn)量尚不足鋰電負(fù)極材料的1%，不過(guò)隨著各大負(fù)極企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)和新企業(yè)的崛起，預(yù)計(jì)硅碳材料在2018年底會(huì)正式大批量進(jìn)入市場(chǎng)。盡管目前對(duì)于硅顆粒嵌鋰膨脹、SEI膜不斷破裂生長(zhǎng)消耗鋰源和電解液等問(wèn)題還沒(méi)有非常完美的解決方法，然而經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外各大企業(yè)和科研院所的多年努力，部分納米硅碳負(fù)極材料已得到電芯企業(yè)的認(rèn)可。