硅基負極產業鏈現狀

中國粉體網蘇簡 2024-09-25 09:26:58

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膜不穩定，導致電解液持續消耗，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業化應用的各個階段，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定性，并通過優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定性。綜合應用這些技術路線，有望實現高性能、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的導電網絡，從而降低電池的內部電阻。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生的應力，保持電極結構的穩定性和完整性。

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生不可逆的化學反應，生成鋰硅氧化物（LixSiOy）和其他副產物。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，但其巨大的發展潛力已吸引了大量資本涌入。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）宣布完成數億元A輪融資，投資方包括三峽綠色產業基金、興湘資本等。索理德新材料的硅基產品包括硅碳、硅氧全系列硅基負極業務，并已經實現批量出貨，硅碳負極利用行業首創技術解決了硅材料膨脹大、穩定性差的應用難題，為大規模應用奠定了基礎。

2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術協會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯合主辦2024硅基負極材料技術與產業研討會暨第三屆先進負極材料技術與產業高峰論壇。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《硅基負極產業鏈現狀》的報告。