中國粉體網(wǎng)訊 石墨類負極是鋰電負極市場的主流，但由于石墨材料的比容量已接近理論比容量極限372mAh/g，進一步提升空間有限，限制了高性能鋰離子電池的發(fā)展。硅基負極材料因其具備高理論容量、低脫嵌鋰電位、環(huán)境友好、儲量豐富等優(yōu)點，被視為最具潛力的下一代負極材料。
1、硅基負極存在的問題
硅基負極材料要想真正實現(xiàn)大規(guī)模應用，需要面對三個方面的挑戰(zhàn)：
一是體積膨脹問題。硅負極嵌鋰為合金化反應機理，在帶來高理論比容量的同時（4200mAh/g），也造成了巨大的體積變化（約300%）。
二是應力積累和裂紋的產(chǎn)生問題。硅負極巨大的體積變化誘發(fā)電極內(nèi)部應力積累，產(chǎn)生裂紋，導致電極粉化，活性材料與集流體分離，性能衰減。
三是不穩(wěn)定的SEI。硅負極巨大的體積效應還會導致界面的不穩(wěn)定性，造成SEI的持續(xù)生長，損失活性鋰源，降低庫侖效率。
2、硅碳負極研究進展
為了充分利用硅的高比容量，改善其缺陷，研究人員做了大量的研究。其中，最有效的策略之一就是制備硅/碳復合材料，這種方法可以綜合利用硅的高比容量和碳材料良好的機械性能和導電性。
（1）硅/石墨復合材料
利用化學氣相沉積法或者機械球磨的方式可以制備硅/石墨復合材料。雖然化學氣相沉積法制備的樣品更均勻、更規(guī)律，但成本相對較高。機械球磨等物理方法在規(guī)�；蜕a(chǎn)成本上更具優(yōu)勢。Sun等采用硼摻雜的微結(jié)構(gòu)硅和石墨復合，表現(xiàn)出了高的容量和保持率。目前，在硅碳材料的生產(chǎn)中，硅添加的比例為1%-5%左右。由于石墨價格低廉，以石墨作為主要復合成分的硅/石墨復合材料成為生產(chǎn)中的首選。
（2）硅/碳納米管復合材料
在幾種著名的碳材料中，碳納米管的導電性極佳，物理穩(wěn)定性好，作為添加劑用于改善硅基材料的電化學性能引人注目。研究表明，納米硅顆粒沿著碳納米管均勻分布后可以優(yōu)化硅的電化學性能。將10nm的硅沉積在直徑為5nm的碳納米管上，得到的復合材料容量高達3000mAh/g（充放電速率為1.3C）。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以緩解硅的體積膨脹現(xiàn)象，并沿著軸向為電荷傳遞提供連續(xù)的路徑，改善復合材料的電子電導率和電化學性能。
（3）硅/石墨烯復合材料
石墨烯柔韌性好、比表面積大、電子電荷導電率高，是包覆納米硅顆粒的理想材料。Li等人將納米硅顆粒、蔗糖和氧化石墨烯混合物進行冷凍干燥，然后經(jīng)過熱處理，制備出了Si@C/graphene復合材料。該方法在實現(xiàn)納米硅顆粒的碳包覆的同時，也解決了石墨烯基片在復合材料的分散不好的問題。該復合材料在500mAh/g的電流密度下，首次充放庫侖效率為83.7%，100個循環(huán)后比容量依然高達1410mAh/g，容量保持率為67%。
目前，硅基負極的應用尚處于起步階段，隨著研究的不斷深入，其產(chǎn)業(yè)化也在被逐步推進。
針對各類負極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于10月18-19日在青島舉辦2022先進負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇，旨在為負極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，中科院金屬所李峰研究員將作《硅碳負極挑戰(zhàn)和進展》的報告。報告將針對硅基負極存在的問題，系統(tǒng)闡述硅基材料的改性策略，包括結(jié)構(gòu)設計、預鋰化、粘結(jié)劑、電解液和硅/石墨復合等；對硅基負極面向商業(yè)應用所關(guān)注的指標進行講解，包括面容量、首次庫倫效率和材料成本等。此外，報告將對硅基負極的研究進展進行總結(jié)并做出展望。
專家簡介：
李峰，1995年畢業(yè)于南京工業(yè)大學，2001年在中科院金屬所獲博士學位，后在中科院金屬所先后擔任助研、副研和研究員。主要從事新型電化學儲能材料與器件的研究，在《Adv Mater》《Nature Energy》等期刊發(fā)表論文300余篇，被引用超過55000次，2016-2021連續(xù)入選科睿維安高被引用科學家，獲得國家發(fā)明專利20余項。獲得國家杰出青年基金（2015），2018年獲得遼寧省自然科學一等獎（排名第一），被聘為《新型炭材料》《儲能科學與技術(shù)》《Journal of Energy Chemistry》《Energy Storage Materials》編委。
參考來源：
張成鵬等.鋰電池硅碳負極材料的研究進展
周軍華等.鋰離子電池納米硅碳負極材料研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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