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【原創(chuàng)】講述硅碳負(fù)極研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)——對(duì)話中科院金屬所李峰研究員


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   長(zhǎng)安

[導(dǎo)讀]  中國(guó)粉體網(wǎng)邀請(qǐng)中科院金屬所李峰研究員做客“對(duì)話”訪談欄目,帶我們深入了解硅碳負(fù)極研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  作為鋰離子電池關(guān)鍵材料之一,負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池的最終性能起著至關(guān)重要的作用。2023年2月9-10日,由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”于山東青島隆重召開(kāi)。會(huì)議期間,針對(duì)各類(lèi)負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)狀況,我們邀請(qǐng)到業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者、優(yōu)秀企業(yè)代表做客“對(duì)話”欄目,進(jìn)行訪談交流。


前言:石墨類(lèi)負(fù)極是鋰電負(fù)極市場(chǎng)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(jìn)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(fù)極材料因其具備高理論容量、低脫嵌鋰電位、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn),被視為最具潛力的下一代負(fù)極材料。 


但硅基負(fù)極材料要想真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,需要面對(duì)三個(gè)方面的挑戰(zhàn): 一是體積膨脹問(wèn)題;二是應(yīng)力積累和裂紋的產(chǎn)生問(wèn)題;三是不穩(wěn)定的SEI。


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(fù)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(jī)械性能和導(dǎo)電性。


此次,中國(guó)粉體網(wǎng)邀請(qǐng)到了中科院金屬所李峰研究員做客“對(duì)話”訪談欄目,帶我們深入了解硅碳負(fù)極研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)。




李峰,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員,國(guó)家杰出青年基金獲得者,博士生導(dǎo)師。


研究方向:電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換用材料及器件的制備和應(yīng)用。

粉體網(wǎng):請(qǐng)您先簡(jiǎn)單介紹一下您課題組在硅碳負(fù)極方面的科研工作?


李峰研究員:我的課題組主要是做碳材料,硅碳材料是碳材料的延伸。目前硅碳材料的研究,尤其是基礎(chǔ)性研究,已經(jīng)從材料的結(jié)構(gòu)向材料的應(yīng)用發(fā)展。我特別關(guān)注于硅基材料的應(yīng)用,在應(yīng)用里面,有幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)在做一般研究的時(shí)候比較容易忽略。一個(gè)是在一定載量下面的容量發(fā)揮;第二個(gè)是硅本身使用條件下的狀態(tài)變化,比如壓實(shí)密度、對(duì)于電解液的相容性等等。這些都是我目前研究的方向,尤其是硅碳研究時(shí)最主要的幾個(gè)方面,我也希望這些研究能夠促進(jìn)硅碳材料的發(fā)展。


還有一個(gè)比較重要的方向是硅負(fù)極極片的發(fā)展,就是使用硅材料如何形成很好的極片,尤其是在使用條件下的極片,能夠?qū)崿F(xiàn)高庫(kù)倫效率。尤其是現(xiàn)在作為普通石墨類(lèi)負(fù)極材料可以達(dá)到92%以上庫(kù)倫效率的指標(biāo)下,作為硅碳,在一定的極片的情況下,如何能夠達(dá)到90%以上的首次庫(kù)倫效率。這也是我最近最關(guān)注的內(nèi)容之一。


粉體網(wǎng):您認(rèn)為硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化的最大阻礙是什么?


李峰研究員:硅碳負(fù)極其實(shí)大家都一直非常關(guān)注,而且現(xiàn)在已經(jīng)有了小量的、批量的生產(chǎn),無(wú)論是硅碳還是氧化亞硅。后面應(yīng)該在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上,從百?lài)嵉角,甚至到萬(wàn)噸的規(guī)模在發(fā)展。


影響硅碳負(fù)極應(yīng)用的最大阻礙還是如何把硅基材料很好的應(yīng)用到電極里面,這里面其實(shí)是一系列的過(guò)程,包括極片的加工、混料等等。而且要有針對(duì)性的一些應(yīng)用,比如最典型的,現(xiàn)在硅材料應(yīng)用最多的圓柱電池。之所以把硅材料應(yīng)用于圓柱電池的原因,在于它在膨脹的時(shí)候是比較均勻的徑向的膨脹,所以說(shuō)它在受應(yīng)力的條件下會(huì)小一些,綜合性能比較好。同時(shí),我們?cè)谘芯康臅r(shí)候,也應(yīng)該注重在使用條件下,如何達(dá)到它的性能指標(biāo)。


在滿(mǎn)足以上條件下,我覺(jué)得硅材料還是非常有希望的。


粉體網(wǎng):您認(rèn)為硅碳負(fù)極相較于硅氧/碳負(fù)極最大的優(yōu)勢(shì)在哪里?


李峰研究員:硅氧負(fù)極相比于硅碳負(fù)極最大的問(wèn)題在于平臺(tái)要高一些,同時(shí)容量,單純SiOx的容量,要比硅碳負(fù)極低一些。但是從應(yīng)用的角度,硅氧負(fù)極的分散性更好一些。所以最近市場(chǎng)上硅氧負(fù)極開(kāi)始走量,而硅碳負(fù)極在原來(lái)的基礎(chǔ)上,增長(zhǎng)速度不及硅氧負(fù)極。


粉體網(wǎng):您覺(jué)得我國(guó)在硅碳負(fù)極產(chǎn)研結(jié)合方面存在哪些優(yōu)勢(shì)與弊端?


李峰研究員:首先,我們的研究人員很多。大學(xué)、研究所,還有企業(yè),而且企業(yè)也是投入了相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量,包括從材料,到器件都有。大體量是我們研究的最大優(yōu)勢(shì),而且更加容易接近于應(yīng)用。材料的應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程,而不是單純的材料本身的性能。比如對(duì)于材料設(shè)備,這個(gè)設(shè)備包括材料本身的制造設(shè)備,比如粉體材料的制備;還有對(duì)于整個(gè)材料的處理,也是粉體的處理過(guò)程,只有把這個(gè)過(guò)程做的很好,我覺(jué)得我們現(xiàn)在有很好的設(shè)備基礎(chǔ),能夠很好的實(shí)現(xiàn)。


如果說(shuō)不足的地方,就是相對(duì)來(lái)說(shuō),材料的研究進(jìn)展,從最開(kāi)始的基礎(chǔ)研究,接著到中試,再到放大過(guò)程,雖然說(shuō)有很多嘗試,但是現(xiàn)在來(lái)說(shuō),市場(chǎng)的接受程度還是較弱。我認(rèn)為其中最主要的問(wèn)題,在工藝研究這一方面,還是沒(méi)有完全能夠滿(mǎn)足電池廠的需要。提高的地方可能包括很多的方面,比如我最開(kāi)始講的我的研究方向,主要關(guān)注它的工藝性能。但是更多的是,在我們現(xiàn)有的設(shè)備的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)這些工藝性能,我覺(jué)得這可能是我們現(xiàn)在面臨的最大的問(wèn)題。比如我們?nèi)绾卧谲洶姵乩锩,很好的?yīng)用硅負(fù)極。如果一旦能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的突破,那么我覺(jué)得硅碳負(fù)極的市場(chǎng)應(yīng)該是非常巨大的。


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安)

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作者:長(zhǎng)安

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