硅碳负极挑战和进展

中国粉体网讯  石墨类负极是锂电负极市场的主流，但由于石墨材料的比容量已接近理论比容量极限372mAh/g，进一步提升空间有限，限制了高性能锂离子电池的发展。硅基负极材料因其具备高理论容量、低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等优点，被视为最具潜力的下一代负极材料。

1、硅基负极存在的问题

硅基负极材料要想真正实现大规模应用，需要面对三个方面的挑战：

一是体积膨胀问题。硅负极嵌锂为合金化反应机理，在带来高理论比容量的同时（4200mAh/g），也造成了巨大的体积变化（约300%）。

二是应力积累和裂纹的产生问题。硅负极巨大的体积变化诱发电极内部应力积累，产生裂纹，导致电极粉化，活性材料与集流体分离，性能衰减。

三是不稳定的SEI。硅负极巨大的体积效应还会导致界面的不稳定性，造成SEI的持续生长，损失活性锂源，降低库仑效率。

2、硅碳负极研究进展

为了充分利用硅的高比容量，改善其缺陷，研究人员做了大量的研究。其中，最有效的策略之一就是制备硅/碳复合材料，这种方法可以综合利用硅的高比容量和碳材料良好的机械性能和导电性。

（1）硅/石墨复合材料

利用化学气相沉积法或者机械球磨的方式可以制备硅/石墨复合材料。虽然化学气相沉积法制备的样品更均匀、更规律，但成本相对较高。机械球磨等物理方法在规模化和生产成本上更具优势。Sun等采用硼掺杂的微结构硅和石墨复合，表现出了高的容量和保持率。目前，在硅碳材料的生产中，硅添加的比例为1%-5%左右。由于石墨价格低廉，以石墨作为主要复合成分的硅/石墨复合材料成为生产中的首选。

（2）硅/碳纳米管复合材料

在几种著名的碳材料中，碳纳米管的导电性极佳，物理稳定性好，作为添加剂用于改善硅基材料的电化学性能引人注目。研究表明，纳米硅颗粒沿着碳纳米管均匀分布后可以优化硅的电化学性能。将10nm的硅沉积在直径为5nm的碳纳米管上，得到的复合材料容量高达3000mAh/g（充放电速率为1.3C）。研究发现，碳纳米管可以缓解硅的体积膨胀现象，并沿着轴向为电荷传递提供连续的路径，改善复合材料的电子电导率和电化学性能。

（3）硅/石墨烯复合材料

石墨烯柔韧性好、比表面积大、电子电荷导电率高，是包覆纳米硅颗粒的理想材料。Li等人将纳米硅颗粒、蔗糖和氧化石墨烯混合物进行冷冻干燥，然后经过热处理，制备出了Si@C/graphene复合材料。该方法在实现纳米硅颗粒的碳包覆的同时，也解决了石墨烯基片在复合材料的分散不好的问题。该复合材料在500mAh/g的电流密度下，首次充放库仑效率为83.7%，100个循环后比容量依然高达1410mAh/g，容量保持率为67%。

目前，硅基负极的应用尚处于起步阶段，随着研究的不断深入，其产业化也在被逐步推进。

针对各类负极材料的产业化技术与国内外市场状况，中国粉体网将于10月18-19日在青岛举办2022先进负极材料技术与产业高峰论坛，旨在为负极材料产业链上中下游企业搭建深度交流的平台，开展产、学、研合作，助推负极材料行业持续健康发展。届时，中科院金属所李峰研究员将作《硅碳负极挑战和进展》的报告。报告将针对硅基负极存在的问题，系统阐述硅基材料的改性策略，包括结构设计、预锂化、粘结剂、电解液和硅/石墨复合等；对硅基负极面向商业应用所关注的指标进行讲解，包括面容量、首次库伦效率和材料成本等。此外，报告将对硅基负极的研究进展进行总结并做出展望。

专家简介：

李峰，1995年毕业于南京工业大学，2001年在中科院金属所获博士学位，后在中科院金属所先后担任助研、副研和研究员。主要从事新型电化学储能材料与器件的研究，在《Adv Mater》《Nature Energy》等期刊发表论文300余篇，被引用超过55000次，2016-2021连续入选科睿维安高被引用科学家，获得国家发明专利20余项。获得国家杰出青年基金（2015），2018年获得辽宁省自然科学一等奖（排名第一），被聘为《新型炭材料》《储能科学与技术》《Journal of Energy Chemistry》《Energy Storage Materials》编委。

参考来源：

张成鹏等.锂电池硅碳负极材料的研究进展

周军华等.锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展

（中国粉体网编辑整理/文正）

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