鉅大LARGE | 點擊量：491次 | 2023年01月06日
碳基還是硅基？突破高能量，鋰電池負極材料之爭會花落誰家？
在眾多的替代材料之中，硅有望成為下一代大容量鋰電池的負極材料。硅的理論比容量比石墨的比容量高一個數(shù)量級，且硅是地殼中豐度第二高的元素，無毒無害。
但是，硅作為鋰電池的負極材料還存在鋰化和去鋰化過程中體積膨脹和收縮的問題。那么，突破高能陷阱，鋰電池負極材料之爭究竟會花落誰家？
鋰電池由于其電壓高、比容量大、循環(huán)壽命長、自放電小、安全性能好、無記憶效應和環(huán)境友好等優(yōu)點，成為一種受人矚目的綠色儲能電池。鋰電池將在低碳環(huán)保和節(jié)能減排方面越來越顯示出其重要的用途。
但是，當前的鋰電池技術還無法完全滿足新應用領域的需求，迫切要朝著高能量密度、長循環(huán)壽命和低成本的方向發(fā)展。
目前鋰電池的研究重要集中在幾種關鍵材料：正極材料、負極材料、電解液和隔膜。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰電池的工作原理重要是充放電原理，即在正、負極之間鋰離子透過電解質進行可逆地嵌入脫出反應。鋰離子在電池的充放電過程中一直處于從正極→負極→正極的持續(xù)運動狀態(tài)。
在一般情況下，鋰離子在正負極間的嵌入和脫出，是不會改變晶體的結構，改變的只有晶體的層間距。
以石墨負極為例，在充電過程中，鋰插入到石墨的層狀結構中，放電時則從層狀結構中拋出了，此過程的可逆性很好，因此所組成的鋰二次電池循環(huán)性能非常優(yōu)越。
鋰電池的正負極材料均由可嵌鋰物質組成。從鋰電池的發(fā)展來看，鋰電池的電化學性能重要取決于所用電極材料和電解質材料的結構和性能。
負極作為其關鍵構成成分之一，直接決定了鋰電池的性能，目前市場上重要采用石墨類負極材料，沒有毒性，且處于放電狀態(tài)時在空氣中比較穩(wěn)定。
然而，石墨類負極的兩個致命缺陷：低能量密度(理論比容量372mAh/g)和安全隱患(析鋰現(xiàn)象)令其無法很好適用于動力鋰電池。
因此，尋找一種新型高容量、安全性好和長循環(huán)的材料來替換石墨類負極材料成為動力鋰電池進一步發(fā)展的關鍵。
除石墨類碳基負極材料以外，非碳基負極材料的發(fā)展也十分突出，其中重要有氮化物材料，硅基材料，錫基材料，新型合金等。
硅因其超高比容量(理論值4200mAh/g)、低嵌鋰電位(<0.5V)和元素含量豐富等優(yōu)點而脫穎而出。
然而，在硅鋰合金化過程中伴隨著巨大的體積效應(>300%)，使活性材料粉化、電極內電接觸失效，最終導致循環(huán)性能迅速衰退，很大程度上限制了其商業(yè)化應用。
如何緩解硅的體積變化對電極的不利影響是硅基材料取代傳統(tǒng)石墨類碳基材料實現(xiàn)商業(yè)化應用的關鍵。
近年來，硅氧化物(SiOx，0<x≤2)引起了人們的關注，最常見的如氧化亞硅(SiO，x≈1)，目前已經開始用于鋰電池負極材料并展現(xiàn)出巨大的潛力。
硅氧化物和碳石墨類材料相比，具有較高的比容量，和Si單質相比擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
硅氧化物材料是一種極具有潛力的鋰電池負極材料，供應高容量的超細納米硅團簇均勻分散在硅氧化物基質中，能夠緩沖體積效應和保護電化學活性，因此令其綜合具備高容量和長循環(huán)等性能。
雖然硅氧化物負極材料具有很強的優(yōu)勢，但實現(xiàn)實用化仍然存在較多問題有待解決。
氮化物負極材料存在充放電平臺不穩(wěn)定，經過多周期的循環(huán)后有衰減的明顯狀況，其限制了其在實際中的應用。金屬錫具有較高的嵌鋰比容量，但嵌鋰時材料體積容易改變，循環(huán)穩(wěn)定性較差。
在眾多的替代材料之中，硅碳復合材料逐漸進入大眾視野中，由碳和硅形成分散或包覆的結構，其中硅的用途是重點提升容量和密度，而碳的用途是緩沖嵌脫鋰過程中硅的體積變化，從而來提高復合材料的電子電導率和相容性。因此硅碳復合材料導電率高、循環(huán)性能好。期待其早日實現(xiàn)技術突破，實現(xiàn)商業(yè)化應用。
