硅材料因儲量豐富，而當Si與Li形成Li4.4Si結(jié)構(gòu)時，理論比容量可以達到4200mAh/g，比目前再鋰離子電池中廣泛使用的石墨能吸收近十倍的鋰離子，因此被認為具有制造大容量電池的前景。當然如此高的容量還沒能實際應(yīng)用在電池上有其缺陷，充電狀態(tài)的Si負極體積膨脹可以達到原體積的3倍，這成為了阻攔在Si負極應(yīng)用路上最大的障礙。

據(jù)了解，目前硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，重要涉及兩方面，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(zhì)，目前常見在科技雜志上的重要是集中在硅負極材料。

阿爾伯塔大學(xué)創(chuàng)建新一代硅基鋰離子電池

近日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)家布里亞克(JillianBuriak)團隊發(fā)現(xiàn)將硅塑造成納米級的顆粒有助于防止它破裂。

納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點，且無毒、無味。納米硅的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：除了可用于制造耐高溫涂層和耐火材料，與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復(fù)合材料，用做切削刀具外，還可以與石墨材料組成硅碳復(fù)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;可與有機物反應(yīng)，作為有機硅高分子材料的原料。

該團隊研究測試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，確定多大的尺寸才能最大限度地發(fā)揮硅的優(yōu)點，同時最大限度地減少其缺點。它們均勻分布在由具有納米孔徑的碳制成的高導(dǎo)電性石墨烯氣凝膠中，以彌補硅的低導(dǎo)電性。

他們發(fā)現(xiàn)，最小的顆粒(直徑僅為30億分之一米)在多次充放電循環(huán)后表現(xiàn)出最佳的長期穩(wěn)定性。這克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍，朝著制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關(guān)鍵的一步。此項研究成果發(fā)表在《材料化學(xué)》雜志上。

這項研究有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在電動汽車領(lǐng)域，可以使其行駛里程更遠，充電速度更快，電池重量更輕。下一步是開發(fā)一種更快、更便宜的方法來制造硅納米顆粒，使其更容易運用在工業(yè)生產(chǎn)上。

鋰電產(chǎn)業(yè)鏈布局百億硅負極市場

除了科研機構(gòu)外，在政策的鼓勵和引導(dǎo)下，也有不少公司對硅基負極材料進行了研發(fā)儲備。

國家工信部等四部委公布的《促進汽車動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方法》中提出，到2020年我國新型鋰離子動力鋰電池單體比能量超300Wh／kg，到2025年單體比能量達500Wh／kg。

而傳統(tǒng)的石墨材料負極已接近天花板，因此，要發(fā)展高能量密度，正極采用高鎳三元材料，而負極使用硅碳負極材料將成為動力鋰電池市場的主流。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2018年國內(nèi)硅碳復(fù)合材料用量在2500噸左右，同比上升約一倍。據(jù)OFweek鋰電網(wǎng)預(yù)測，2025年國內(nèi)硅碳負極材料市場空間將達百億。

2018年，在國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項支持下，力神電池項目團隊在NCA正極材料研究基礎(chǔ)上，研制出容量高、循環(huán)穩(wěn)定性的硅碳負極材料，并開發(fā)出單體比能量達303Wh／Kg的電芯。今年一月，國軒高科在投資者交流互動平臺表示，其制備的高鎳NCM811三元軟包樣品已于近期通過科技部的中期檢查，能量密度達302Wh／kg，負極采用硅碳材料。在前不久，我國科學(xué)院院士歐陽明高介紹，寧德時代開發(fā)的高鎳三元正極和硅碳負極電池的比能量已經(jīng)達到304Wh／kg，今年將投放市場。

此外，比克動力、微宏動力、萬向A123等電池公司正在加快硅碳負極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。貝特瑞的碳硅負極，打入了特斯拉的供應(yīng)鏈，為松下的動力鋰電池電芯配套部分負極材料；杉杉股份、江西紫宸等具備了小量試產(chǎn)量力……國內(nèi)鋰電產(chǎn)業(yè)鏈也在積極布局含硅負極材料。

事實上，從能量密度來看，300Wh／kg左右的能量密度只發(fā)揮了硅基材料很小的用途，而且國內(nèi)進入硅負極材料的研發(fā)領(lǐng)域稍落后于國外。

硅碳材料早先是在日韓公司中應(yīng)用較多，松下和三星的產(chǎn)品都有成熟應(yīng)用。據(jù)悉，日本松下目前已實現(xiàn)硅碳負極材料的電池量產(chǎn)；日本湯淺電池、日立麥克賽爾、日本三井金屬等公司也已有成熟的電池方法……

編輯點評

除了在新能源汽車領(lǐng)域外，在儲能領(lǐng)域、特種航天、船舶艦艇等領(lǐng)域都要更高能量密度和功率密度的鋰離子電池，正極采用高鎳三元材料已成主流選擇，而硅及其復(fù)合材料也是目前最具有開發(fā)潛力的負極材料，也許用不了多長時間，采用硅作為負極材料的鋰離子電池將在新能源汽車上供應(yīng)更長的續(xù)航能力。