中國粉體網(wǎng)訊 隨著鋰電池技術的不斷進步，石墨負極材料的容量已接近其極限，而理論容量是石墨近十倍的硅基材料正成為下一代負極材料的熱門選擇。
硅基負極材料的優(yōu)勢
①硅儲量豐富，獲取成本相對較低；
②硅在鋰離子嵌入后會形成高含鋰合金，并在各個方向給鋰離子提供嵌入和脫出的通道，可提升電池快充性能；
③工作電位略高于石墨，緩解了析鋰難題。
硅基負極材料的商業(yè)化面臨的主要難點
①硅的本征電導率較低，大功率放電性能差；
②充放電過程中，硅基負極材料會發(fā)生各向異性的膨脹和收縮，硅嵌鋰體積膨脹率超300%，較大的體積變化導致材料粉化嚴重、表面活性材料剝落、集流體接觸不良，嚴重影響電池性能，并且硅表面形成的SEI膜不穩(wěn)定，導致電解液持續(xù)消耗，電池庫侖效率較低。
為了解決硅基負極材料在鋰離子電池應用中的缺陷，研究人員提出了多種技術路線，包括納米化技術、復合材料技術、結構設計、表面改性、電解液優(yōu)化、預鋰化、多孔硅和合金硅等。這些技術路線涵蓋了從實驗室研究到產(chǎn)業(yè)化應用的各個階段，通過納米化和復合材料技術緩解體積膨脹問題，利用結構設計和表面改性提高導電性和穩(wěn)定性，并通過優(yōu)化電解液體系來增強電池的整體性能。預鋰化技術可以提高初始庫倫效率，多孔硅結構有助于緩解體積變化，而合金硅則能提供更高的容量和穩(wěn)定性。綜合應用這些技術路線，有望實現(xiàn)高性能、長壽命和低成本的硅基負極材料，推動其在實際應用中的廣泛普及。目前硅碳材料和硅氧材料是硅基負極的兩條主要技術路線。
硅碳負極材料是通過將納米級硅與碳材料相結合來制備的，旨在解決硅基負極材料在充放電過程中體積顯著變化和導電性不佳的問題。通常選用的碳材料包括石墨、碳納米管或石墨烯等。通過減小硅基材料的粒徑至納米尺度，增加了空隙，從而有效緩解硅在鋰離子嵌入和脫出過程中產(chǎn)生的應力和形變。此外，納米硅顆粒表面覆蓋一層碳層，這層碳層不僅保護硅免受電解液的直接作用，還能抑制固體電解質(zhì)界面(SEI)膜的過度生長。碳材料的引入還帶來了出色的導電性，它能在硅的表面形成一個連續(xù)的導電網(wǎng)絡，從而降低電池的內(nèi)部電阻。更重要的是，碳材料的機械強度較高，能夠進一步吸收硅體積膨脹所產(chǎn)生的應力，保持電極結構的穩(wěn)定性和完整性。
硅氧負極通常采用化學氣相沉積CVD將2-10nm的硅碳顆粒均勻分布在SiO2基質(zhì)中，形成硅氧復合材料。硅氧化物在充放電過程中會形成多孔結構，有助于緩解體積膨脹。盡管相比于硅碳負極，硅氧負極的體積膨脹問題得到了較好的緩解，但硅氧化物（SiOx）在首次充電過程中會發(fā)生不可逆的化學反應，生成鋰硅氧化物（LixSiOy）和其他副產(chǎn)物。這些不可逆反應會消耗部分鋰離子，導致首次充電容量高于首次放電容量，從而降低首效，影響電池的實際容量，業(yè)界通常采用預鋰化工藝來提前補償首次充電過程中消耗的鋰離子，以此提升首效，但是目前工藝還不成熟，成本較高。
盡管硅基負極材料尚未完全成熟，但其巨大的發(fā)展?jié)摿σ盐舜罅抠Y本涌入。今年8月份，深圳索理德新材料科技有限公司（簡稱：索理德新材料）宣布完成數(shù)億元A輪融資，投資方包括三峽綠色產(chǎn)業(yè)基金、興湘資本等。索理德新材料的硅基產(chǎn)品包括硅碳、硅氧全系列硅基負極業(yè)務，并已經(jīng)實現(xiàn)批量出貨，硅碳負極利用行業(yè)首創(chuàng)技術解決了硅材料膨脹大、穩(wěn)定性差的應用難題，為大規(guī)模應用奠定了基礎。
2024年10月29-31日在上�？鐕少彆怪行�，由北京粉體技術協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024硅基負極材料技術與產(chǎn)業(yè)研討會暨第三屆先進負極材料技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時來自深圳索理德新材料科技有限公司CTO王預將作題為《硅基負極產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀》的報告。
專家簡介：
王預，現(xiàn)任深圳索理德新材料科技有限公司CTO。是法國國家科學院，材料物理化學博士。獲得深圳孔雀計劃人才，曾就職于華為、法國標志雪鐵龍集團、Arcelor Mittal Group。
參考來源：
曹東學.鋰離子電池負極材料技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
付舉等.鋰離子電池硅基負極膨脹機理及改性研究進展
鋰電亮點:硅基負極.疆亙資本
索理德新材料
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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