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鋰離子電池負極材料的新大陸—硅碳負極材料

來源:存能電氣  日期:2019-09-04 16:05  瀏覽量:

  鋰離子電池負極材料的新大陸—硅碳負極材料。鋰電池負極材料目前處于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。新型硅碳負極鋰離子電池突破了石墨作為負極的固有局限性,其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池,它已成為最有前途的儲能電池之一,鋰離子電池負極材料的新大陸。

  什么是硅碳負極

  由于硅是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料,為了提供鋰離子在硅電極材料中的擴散速度,就需要提高硅材料的導(dǎo)電性能,目前產(chǎn)業(yè)中所選擇的就是成熟的碳材料。利用不同形態(tài)的碳材料來復(fù)合硅進行改性處理,使其構(gòu)成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),形成導(dǎo)電性好、附著性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的硅碳負極材料。

鋰離子電池負極材料.jpg

  硅碳類材料的優(yōu)點和缺點

  石墨類負極作為主要的負極材料,應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,但是石墨類負極材料容量已做到360mAh/g,已經(jīng)接近372mAh/g的理論克容量,再想提升其空間已很難實現(xiàn)。而硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近,硅在常溫下可與鋰合金化,生成Li15Si4相,理論比容量高達3572mA·h/g,遠高于商業(yè)化石墨理論比容量,在地殼元素中儲量非常豐富,成本低、環(huán)境友好,因而硅負極材料一直備受科研人員關(guān)注,是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。

  但是,由于硅在充放電過程中容易產(chǎn)生體積膨脹,這限制了硅負極的商業(yè)化應(yīng)用。碳質(zhì)負極材料在充放電過程中體積變化較小,具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能,而且碳質(zhì)負極材料本身是離子與電子的混合導(dǎo)體;另外,硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近,二者能緊密結(jié)合,因此碳常用作與硅復(fù)合的首選基質(zhì)。

  在Si/C復(fù)合體系中,Si顆粒作為活性物質(zhì),提供儲鋰容量;既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化,又能改善Si質(zhì)材料的導(dǎo)電性,還能避免Si顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團聚。因此Si/C復(fù)合材料綜合了二者的優(yōu)點,表現(xiàn)出高比容量和較長循環(huán)壽命,有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。

  硅碳負極材料應(yīng)用前景

  近年來,我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,全球市場份額不斷攀升,在大規(guī)模的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)投資的帶動下,鋰離子電池負極材料的需求不斷上升。硅負極相比石墨負極具有更高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度,采用硅負極材料的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度可以提升8%以上,體積能量密度可以提升10%以上,同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%,因此硅負極材料將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

  硅碳負極作為新型鋰離子電池負極材料,在提升電池能量密度方面比當前石墨負極更高效。但是由于其在應(yīng)用方面存在較高壁壘,所以在國內(nèi)還處于產(chǎn)業(yè)化前期。國外方面,松下已經(jīng)實現(xiàn)含硅碳負極材料的18650電池的量產(chǎn),而特斯拉已經(jīng)將硅碳負極應(yīng)用于車用動力電池,硅碳負極材料應(yīng)用前景越來越光明,未來硅碳負極材料很可能成為負極材料中的佼佼者。

  便攜式消費電子領(lǐng)域也將是納米硅碳負極材料大規(guī)模應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域。目前智能手機已成為鋰離子電池最大的應(yīng)用領(lǐng)域。由于智能手機等也對鋰離子電池的能量密度等提出了更高的要求,所以也將成為高比容量納米硅碳負極材料的廣闊市場。

  同時,航空航天、船舶艦艇等領(lǐng)域也對鋰離子電池提出了更高能量密度和功率密度的要求,而納米硅碳材料也是現(xiàn)階段最具有開發(fā)潛力的鋰離子電池負極材料,其應(yīng)用前景非常廣闊。

  硅碳負極優(yōu)異的電化學(xué)性能吸引了許多負極材料廠商投入到硅碳材料的研發(fā)和生產(chǎn)當中,隨著硅碳應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟和電池對于能量密度要求的不斷提高,單顆電芯內(nèi)的硅碳含量將會不斷增加,但將會在成本和能量密度之間尋求一個平衡。

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