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硅碳復合負極材料有哪些優勢?

2021-01-19 10:20:24

負極材料存在的問題有循環壽命低、體積變化大、持續產生SEI膜,而硅碳負極材料可以有效改善這些問題,所以硅碳負極材料是未來負極材料的發展重點無疑。

鋰離子電池因其優異的性能已經在便攜式消費電子、電動工具、醫療電子等領域獲得了廣泛應用。同時,在純電動汽車、混合動力汽車以及儲能等領域也顯示了良好的應用前景。

現在商業化的鋰離子電池主要是以石墨為負極材料。但是,近年來各個領域對電池能量密度的需求飛速提高,迫切需要開發出更高能量密度的鋰離子電池。所以開發更高能量密度的負極材料迫在眉睫。


▍為什么要用硅碳作為負極材料?


碳和硅材料的性能

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從上表可以看出硅材料的質量比容量可達4200mAh/g,遠大于碳材料的372mAh/g,是目前已知能用于負極材料理論比容高的材料。并且硅材料環境友好、儲量豐富、成本較低。但是硅負極材料存在的問題有循環壽命低、體積變化大、持續產生SEI膜,而硅碳負極材料可以有效改善這些問題,所以硅碳負極材料是未來負極材料的發展重點無疑。


▍硅碳材料是如何復合的?


硅碳負極材料按結構類型主要分為:

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1.包覆型硅碳負極


包覆型硅碳負極材料往往是將不同納米結構的硅材料進行碳包覆,這類材料以硅為主體提供可逆容量,碳層主要作為緩沖層以減輕體積效應,同時增強導電性。碳包覆層通常為無定形碳。


2.負載型硅碳負極


負載型負極材料通常是在不同結構的碳材料(如碳纖維、碳納米管、石墨烯等)表面或內部,負載或者嵌入硅薄膜、硅顆粒等,這類硅碳復合材料中,碳材料往往起到結構支撐的力學作用,它們良好的機械性能有利于硅在循環中的體積應力釋放,形成的導電網絡提高了電極整體的電子電導率。


3.分散型硅碳負極


分散型硅碳負極材料是一種較為寬泛的復合材料體系,包括硅與不同材料的物理混合,也涵蓋硅碳元素形成分子接觸的高度均勻分散復合物體系。事實證明將硅材料均勻分散到碳緩沖基質中,可以一定程度抑制硅的體積膨脹。


▍硅碳負極材料的研究難點是?


體積膨脹導致的循環壽命、安全問題,為了解決這些問題又會產生新的關于制備、成本的問題。


在充放電過程中,硅的體積會膨脹100%-300%,不斷的收縮膨脹會造成硅碳負極材料的粉末化,嚴重影響電池壽命。硅的膨脹會在電池內部去產生巨大的應力,這種應力會對極片造成擠壓,從而出現極片斷裂;還會造成電池內部孔隙率降低,促使金屬鋰析出,影響電池的安全性。


解決體積膨脹的問題可以通過控制碳材料中硅的含量、減小硅體積到納米級;或改變石墨質地、形態,實現碳和硅的合適匹配;或者采用其他物質對硅進行包覆,促進膨脹后的復原;還可以采用更適宜的電極材料等一系列方法來減少硅膨脹帶來的諸多問題。


實踐證實,要想取得比較理想的電化學性能,復合材料中的硅顆粒粒徑不能超過200-300nm。但是在比表面、粒徑分布、雜質以及表面鈍化層厚度等關鍵指標技術壁壘都很高,國內廠家目前還達不到,而外購納米硅粉成本極高。


▍硅碳負極材料發展到什么程度了?


國外部分企業已經實現了硅碳負極材料的量產。

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國內企業在硅碳負極產業化方面動作相對慢一點。杉杉股份、江西紫宸、深圳貝特瑞等早已布局硅碳負極材料的生產,目前已推出幾款硅碳負極材料,且具有一定產能,CATL、比亞迪、國軒高科、力神、比克、星城石墨、萬向A123、微宏動力等企業硅碳負極的產業化應用也都在推進中。


目前硅碳負極材料的總產量尚不足鋰電負極材料的1%,不過隨著各大負極企業的擴產和新企業的崛起,預計硅碳材料在2018年底會正式大批量進入市場。盡管目前對于硅顆粒嵌鋰膨脹、SEI膜不斷破裂生長消耗鋰源和電解液等問題還沒有非常完美的解決方法,然而經過國內外各大企業和科研院所的多年努力,部分納米硅碳負極材料已得到電芯企業的認可。


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