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硅基負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用

億富機械 2024-10-27 | 閱讀：452

隨著新能源汽車、儲能等市場的蓬勃發(fā)展，鋰電池及負(fù)極材料市場規(guī)模和技術(shù)水平持續(xù)提升，目前，商用石墨負(fù)極材料比容量逼近石墨材料的理論比容量，硅基負(fù)極材料商業(yè)化應(yīng)用得到進(jìn)一步提速。

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

為了解決硅基負(fù)極材料在鋰離子電池應(yīng)用中的缺陷，研究人員提出了多種技術(shù)路線，包括納米化技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面改性、電解液優(yōu)化、預(yù)鋰化、多孔硅和合金硅等。

這些技術(shù)路線涵蓋了從實驗室研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各個階段，通過納米化和復(fù)合材料技術(shù)緩解體積膨脹問題，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面改性提高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，并通過優(yōu)化電解液體系來增強電池的整體性能。預(yù)鋰化技術(shù)可以提高初始庫倫效率，多孔硅結(jié)構(gòu)有助于緩解體積變化，而合金硅則能提供更高的容量和穩(wěn)定性。綜合應(yīng)用這些技術(shù)路線，有望實現(xiàn)高性能、長壽命和低成本的硅基負(fù)極材料，推動其在實際應(yīng)用中的廣泛普及。

目前硅碳材料和硅氧材料是硅基負(fù)極的兩條主要技術(shù)路線。

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

在商業(yè)化應(yīng)用方面，目前，硅基負(fù)極材料的實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)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(yè)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(fù)極材料正逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

在固態(tài)電池領(lǐng)域，硅基負(fù)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(rèn)為是固態(tài)電池負(fù)極材料的關(guān)鍵發(fā)展方向之一。

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