鋰離子電池負極材料的新大陸—硅碳負極材料

來源：存能電氣  日期：2019-09-04 16:05  瀏覽量：次

　　鋰離子電池負極材料的新大陸—硅碳負極材料。鋰電池負極材料目前處于鋰離子電池產業中最關鍵的環節。新型硅碳負極鋰離子電池突破了石墨作為負極的固有局限性，其性能明顯優于傳統鋰離子電池，它已成為最有前途的儲能電池之一，鋰離子電池負極材料的新大陸。

　　什么是硅碳負極

　　由于硅是半導體結構材料，為了提供鋰離子在硅電極材料中的擴散速度，就需要提高硅材料的導電性能，目前產業中所選擇的就是成熟的碳材料。利用不同形態的碳材料來復合硅進行改性處理，使其構成均勻的導電網絡結構，形成導電性好、附著性好、化學穩定性高的硅碳負極材料。

　　硅碳類材料的優點和缺點

　　石墨類負極作為主要的負極材料，應用已經非常廣泛，但是石墨類負極材料容量已做到360mAh/g，已經接近372mAh/g的理論克容量，再想提升其空間已很難實現。而硅與碳化學性質相近，硅在常溫下可與鋰合金化，生成Li15Si4相，理論比容量高達3572mA·h/g，遠高于商業化石墨理論比容量，在地殼元素中儲量非常豐富，成本低、環境友好，因而硅負極材料一直備受科研人員關注，是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。

　　但是，由于硅在充放電過程中容易產生體積膨脹，這限制了硅負極的商業化應用。碳質負極材料在充放電過程中體積變化較小，具有較好的循環穩定性能，而且碳質負極材料本身是離子與電子的混合導體；另外，硅與碳化學性質相近，二者能緊密結合，因此碳常用作與硅復合的首選基質。

　　在Si/C復合體系中，Si顆粒作為活性物質，提供儲鋰容量；既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化，又能改善Si質材料的導電性，還能避免Si顆粒在充放電循環中發生團聚。因此Si/C復合材料綜合了二者的優點，表現出高比容量和較長循環壽命，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。

　　硅碳負極材料應用前景

　　近年來，我國鋰離子電池產業發展迅速，全球市場份額不斷攀升，在大規模的鋰離子電池產業投資的帶動下，鋰離子電池負極材料的需求不斷上升。硅負極相比石墨負極具有更高的質量能量密度和體積能量密度，采用硅負極材料的鋰離子電池的質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，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%，因此硅負極材料將具有非常廣闊的應用前景。

　　硅碳負極作為新型鋰離子電池負極材料，在提升電池能量密度方面比當前石墨負極更高效。但是由于其在應用方面存在較高壁壘，所以在國內還處于產業化前期。國外方面，松下已經實現含硅碳負極材料的18650電池的量產，而特斯拉已經將硅碳負極應用于車用動力電池，硅碳負極材料應用前景越來越光明，未來硅碳負極材料很可能成為負極材料中的佼佼者。

　　便攜式消費電子領域也將是納米硅碳負極材料大規模應用的另一個重要領域。目前智能手機已成為鋰離子電池最大的應用領域。由于智能手機等也對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極材料的廣闊市場。

　　同時，航空航天、船舶艦艇等領域也對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階段最具有開發潛力的鋰離子電池負極材料，其應用前景非常廣闊。

　　硅碳負極優異的電化學性能吸引了許多負極材料廠商投入到硅碳材料的研發和生產當中，隨著硅碳應用技術的不斷成熟和電池對于能量密度要求的不斷提高，單顆電芯內的硅碳含量將會不斷增加，但將會在成本和能量密度之間尋求一個平衡。