硅基負極材料在鋰離子電池中的應用

中國粉體網蘇簡 2024-10-15 09:39:57

隨著新能源汽車、儲能等市場的蓬勃發展，鋰電池及負極材料市場規模和技術水平持續提升，目前，商用石墨負極材料比容量逼近石墨材料的理論比容量，硅基負極材料商業化應用得到進一步提速。

硅基負極材料以其極高的理論比容量成為鋰離子電池負極材料研究的熱點。硅負極材料的理論比容量遠高于商業石墨負極材料，且工作電壓適中，這使得硅基負極材料在提升電池能量密度方面具有顯著優勢。然而，硅在充放電過程中的體積膨脹和收縮過大，導致材料開裂、破碎，以及SEI膜的持續增厚，嚴重影響了電池的循環穩定性和倍率性能。

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。

其中，硅碳負極材料以較高的首次庫倫效率著稱，但其循環壽命有待提高。通過實現硅材料的納米化，可以減少在充放電過程中產生的膨脹和破碎問題，從而進一步增強其循環壽命。相對地，硅氧負極材料的主要優點是其出色的循環穩定性，盡管首效較低。然而，通過采用預鋰化等技術手段，可以有效提升其首效。

在商業化應用方面，目前，硅基負極材料的實現商業化應用的主要有碳包覆氧化亞硅、納米硅碳、硅納米線和無定型硅合金。其中，碳包覆氧化亞硅和納米硅碳的商業化程度最高，它們通常以5%-10%的比例摻入石墨中使用。近年來，硅基負極材料正逐步實現產業化。

在固態電池領域，硅基負極材料以高的理論能量密度、出色的快速充放電性能以及卓越的安全性能被認為是固態電池負極材料的關鍵發展方向之一。

今年8月底，廣州鵬輝能源科技股份公司（簡稱：鵬輝能源）發布了公司第一代固態電池，并展示了固態電池20Ah實物及內部切面，固態電池在確保本質安全基礎上，能量密度實現280Wh/kg，鵬輝能源表示，2025年，公司將在材料端搭配使用更高比例硅基負極，能量密度將達300Wh/kg以上。

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。屆時來自廣州鵬輝能源科技股份公司研究院副院長張貴萍將作題為《硅基負極材料在鋰離子電池中的應用》的報告。