2018/9/18 旺材锂电 -微信公众平台 为什么说硅碳材料是最有潜力的锂电池负极 旺材锂电 2017-05-02 诚邀业内人士及机构向我们投稿，投稿有礼 投稿邮箱：tougao@maicai360 摘要 新能源汽车领域的日趋火爆，吸引着国内外大量企业前赴后继奔赴“战场”，并不新鲜的锰酸 锂技术却似乎又开始绽放出引人注目的色彩。技术创新固然可喜，但寻找性价比更高、储藏 量更大、具有更多定价话语权的新原材料，才是提升欧亿·体育（中国）有限公司终端降本增效能力的治本之法。 硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是一种最有潜力的负极材料，但硅作为锂电池负极应用 也有一些瓶颈，第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体 积变化是320%。 所以不论做成什么样的材料，微观上，在硅的原子尺度或者纳米尺度，它的膨胀是300%。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问 题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题，通过一系列的基础研究证明，它会裂开，形成严重的脱落。 硅体积膨胀会导致一系列结果 1.颗粒粉化，循环性能差 2. 活性物质与导电剂粘结剂接触差 mp.weixin.qq/s?__biz=MzI0ODc5NTQ4NQ==&tempkey=OTc0X1ovWjR3UUt1TC9IK3BKL2tjQ1lYTmFEY05BVkJDT1ItSHU2cmEteXRnYUFEUVA5VF9nZUc1Q2lCVVgxY1ZvdnJ6bEoxUzBFaHF3YU0tNG… 1/4 2018/9/18 旺材锂电 -微信公众平台 第二个问题就是在硅表面的SEI膜是比较厚且不均匀的，受温度和添加剂的影响很大，会影响锂离子电池中整个比能量的发挥。 石墨表面因为导电性特别好，相对来说SEI膜比较均匀，它的组成跟硅负极不一样。为了研究这个问题，中科院相关科学家做了模型材 料，通过微加工做成硅纳米柱。观察这种材料在充放电过程中SEI膜的生长，我们发现随着循环次数的增加，SEI膜逐渐把硅柱中间的空 隙填上，覆盖完后还会继续生长大概4.5μm，在硅表面如果不加任何处理，SEI膜可以长得很厚。 这说明它是多孔的，溶剂始终能够接触到浸到硅的表面，这样在全电池设计时是不行的。怎么样解决这个问题，中科院科相关学家做了 一些尝试在硅上做了碳包覆，为了做对比，我们硅上只做了部分的石墨烯包覆，其他地方空出来。最终看到包覆和不包覆SEI膜的生长 情况不一样，碳包覆的SEI膜就明显减少，没有包覆的SEI膜就有很多。 从长期的基础研究来看，①通过硅粉纳米化；②硅碳包覆；等技术手段可以有效解决硅在锂电池负极应用中遇到的问题。无论是纳米硅 碳还是氧化亚硅碳，硅力求做到以下几点： 1. 2. 3. 4. 硅粒径：＜20nm（理论上越小越好） 均匀度：标准偏差小于5nm 纯度：＞99.95% 形貌：100%球形率 mp.weixin.qq/s?__biz=MzI0ODc5NTQ4NQ==&tempkey=OTc0X1ovWjR3UUt1TC9IK3BKL2tjQ1lYTmFEY05BVkJDT1ItSHU2cmEteXRnYUFEUVA5VF9nZUc1Q2lCVVgxY1ZvdnJ6bEoxUzBFaHF3YU0tNG… 2/4 2018/9/18 旺材锂电 -微信公众平台 另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和电解液接触，产生厚的SEI膜的消耗。微观结构的设计也很重要，要来维持在循环过程中电 子的接触，离子的通道，体积的膨胀。 碳包覆机理在于：Si的体积膨胀由石墨和无定形包覆层共同承担，避免负极材料在嵌脱锂过程因巨大的体积变化和应力而粉化。碳包覆