硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

隨著鋰電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，石墨負(fù)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(fù)極材料的熱門選擇。

硅基負(fù)極材料的優(yōu)勢(shì)

①硅儲(chǔ)量豐富，獲取成本相對(duì)較低；

②硅在鋰離子嵌入后會(huì)形成高含鋰合金，并在各個(gè)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(fù)極材料的商業(yè)化面臨的主要難點(diǎn)

①硅的本征電導(dǎo)率較低，大功率放電性能差；

②充放電過程中，硅基負(fù)極材料會(huì)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(dǎo)致材料粉化嚴(yán)重、表面活性材料剝落、集流體接觸不良，嚴(yán)重影響電池性能，并且硅表面形成的SEI膜不穩(wěn)定，導(dǎo)致電解液持續(xù)消耗，電池庫(kù)侖效率較低。

為了解決硅基負(fù)極材料在鋰離子電池應(yīng)用中的缺陷，研究人員提出了多種技術(shù)路線，包括納米化技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面改性、電解液優(yōu)化、預(yù)鋰化、多孔硅和合金硅等。這些技術(shù)路線涵蓋了從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各個(gè)階段，通過納米化和復(fù)合材料技術(shù)緩解體積膨脹問題，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面改性提高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，并通過優(yōu)化電解液體系來增強(qiáng)電池的整體性能。預(yù)鋰化技術(shù)可以提高初始庫(kù)倫效率，多孔硅結(jié)構(gòu)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(yīng)用這些技術(shù)路線，有望實(shí)現(xiàn)高性能、長(zhǎng)壽命和低成本的硅基負(fù)極材料，推動(dòng)其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛普及。目前硅碳材料和硅氧材料是硅基負(fù)極的兩條主要技術(shù)路線。

硅碳負(fù)極材料是通過將納米級(jí)硅與碳材料相結(jié)合來制備的，旨在解決硅基負(fù)極材料在充放電過程中體積顯著變化和導(dǎo)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(yīng)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(hù)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(zhǎng)。碳材料的引入還帶來了出色的導(dǎo)電性，它能在硅的表面形成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而降低電池的內(nèi)部電阻。更重要的是，碳材料的機(jī)械強(qiáng)度較高，能夠進(jìn)一步吸收硅體積膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力，保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性。

硅氧負(fù)極通常采用化學(xué)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(fù)合材料。硅氧化物在充放電過程中會(huì)形成多孔結(jié)構(gòu)，有助于緩解體積膨脹。盡管相比于硅碳負(fù)極，硅氧負(fù)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(huì)發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，生成鋰硅氧化物（LixSiOy）和其他副產(chǎn)物。這些不可逆反應(yīng)會(huì)消耗部分鋰離子，導(dǎo)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(shí)際容量，業(yè)界通常采用預(yù)鋰化工藝來提前補(bǔ)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(fù)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(jiǎn)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(fù)極業(yè)務(wù)，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量出貨，硅碳負(fù)極利用行業(yè)首創(chuàng)技術(shù)解決了硅材料膨脹大、穩(wěn)定性差的應(yīng)用難題，為大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2024年10月29-31日在上海跨國(guó)采購(gòu)會(huì)展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會(huì)與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024硅基負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)研討會(huì)暨第三屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時(shí)來自深圳索理德新材料科技有限公司CTO王預(yù)將作題為《硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀》的報(bào)告。  

專家簡(jiǎn)介：

王預(yù)，現(xiàn)任深圳索理德新材料科技有限公司CTO。是法國(guó)國(guó)家科學(xué)院，材料物理化學(xué)博士。獲得深圳孔雀計(jì)劃人才，曾就職于華為、法國(guó)標(biāo)志雪鐵龍集團(tuán)、Arcelor Mittal Group。

參考來源：

曹東學(xué).鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

付舉等.鋰離子電池硅基負(fù)極膨脹機(jī)理及改性研究進(jìn)展

鋰電亮點(diǎn):硅基負(fù)極.疆亙資本

索理德新材料

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