鋰離子電池硅基負極材料的應用
來源：存能電氣 日期：2019-08-05 09:24 瀏覽量：次
鋰離子電池硅基負極材料的應用。與傳統石墨負極相比，硅具有超高的理論比容量（4200mAh/g）和較低的脫鋰電位（<0.5V），且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時難引起表面析鋰，安全性能更好。硅成為鋰離子電池碳基負極升級換代的富有潛力的選擇之一。
鋰離子電池硅基負極材料的應用
硅材料在鋰離子電池中的應用，主要涉及兩方面，一是在負極材料中加入納米硅，形成硅碳負極，二是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質。與傳統的負極材料相比，硅負極材料具有較高的能量密度和低的電化學電勢。硅負極材料的理論容量為4200mAh/g，是石墨負極材料的2～10倍、尖晶石結構鈦酸鋰(Li4Ti5O12)材料的4～20倍。
納米硅的應用領域廣泛：
①與石墨材料組成硅碳復合材料，作為鋰離子電池的負極材料，大幅提高鋰離子電池的容量;
②用于制造耐高溫涂層和耐火材料;
③與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復合材料，用做切削刀具;
④可與有機物反應，作為有機硅高分子材料的原料;
⑤金屬硅通過提純制取多晶硅;
⑥半導體微電子封裝材料;
⑦金屬表面處理。
鋰離子電池硅負極材料的缺點
①硅在鋰離子電池嵌入脫嵌過程中，會引起Si體積膨脹100%~300%，在材料內部產生較大的內應力，對材料結構造成破壞，電極材料在銅箔上脫落，同時硅表面的SEI膜不斷重復形成-破裂-形成，共同降低了電極的導電性和循環穩定性;
②硅為半導體，導電性比石墨差很多，導致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大，進一步降低了其首次庫倫效率。因而，必須解決硅在充放電過程中產生的體積膨脹和首次充放電效率低的問題。
硅材料的選擇與結構設計
1.無定型硅和硅的氧化物
（1）無定型硅
無定形硅在低電位下擁有較高的容量，作為鋰離子電池負極材料"相比于石墨類電極材料安全性能更高。但無定形硅材料只能在有限程度上緩解顆粒的破碎和粉化，其循環穩定性仍不能滿足作為高容量電池負極材料的要求。
（2）硅的氧化物
作為鋰離子電池負極材料，SiO具有較高的理論比容量（1200mAh/g以上）、良好的循環性能以及較低的脫嵌鋰電位，因此也是一種極具潛力的高容量鋰離子電池負極材料。但氧化硅含氧量的不同也會影響其穩定性和可逆容量：隨著氧化硅中氧的提高，循環性能提高，但可逆容量減小。
采用傳統石墨負極的鋰離子電池因其有限的儲能能力已經不再能夠滿足新興市場的需求，硅基材料以其高的理論比容量而成為下一代鋰離子電池負極材料的理想選擇。但是，受限制于儲鋰過程中巨大體積變化及其較差的導電性的問題，硅基負極材料規模化、商業化之路仍困難重重。
