硅材料在鋰電池中的應(yīng)用

隨著新能源汽車在實際應(yīng)用中對續(xù)航里程要求的不斷提高，目前的材料體系明顯已無法滿足現(xiàn)實需求，研發(fā)新型高能量高性能材料迫在眉睫。目前，硅基材料已成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負(fù)極的最優(yōu)先選擇。現(xiàn)狀是發(fā)展大部分材料商都展開了對硅碳復(fù)合材料做負(fù)極材料的研究和生產(chǎn)，目前只有貝特瑞和上海杉杉已進入中試量產(chǎn)階段，大多數(shù)材料商仍處于研發(fā)之中。

硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化進行時

國內(nèi)前幾大負(fù)極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對硅碳負(fù)極材料進行布局，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品，上海杉杉正處于硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進程中，星城石墨已將硅碳新型負(fù)極材料作為未來產(chǎn)品研發(fā)方向。此外，電池企業(yè)中，BYD、CATL、國軒、力神、萬向、微宏等都展開了對硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。

從目前已產(chǎn)品化的硅碳負(fù)極材料性能來看，相比于石墨負(fù)極材料而言，最大的優(yōu)勢在于比容量的提升。硅碳負(fù)極材料的最低比容量一般都超過石墨負(fù)極材料的理論比容量，貝特瑞的S1000型號硅碳負(fù)極材料的比容量更是高達1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距，但已經(jīng)是人造石墨負(fù)極材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。此外，硅碳負(fù)極材料的首次效率能達到90%以上，滿足應(yīng)用的要求，其他各項指標(biāo)也不亞于石墨負(fù)極材料。

硅負(fù)極的優(yōu)勢在哪里

石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負(fù)極的理論能量密度超其10倍，高達4200mAh/g，而且還具有環(huán)境友好、儲量豐富等特點， 通過在石墨材料加入硅來提升電池能量密度已是業(yè)界公認(rèn)的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做硅碳負(fù)極電池的商業(yè)化，包括比亞迪、力神、比克、萬向等國內(nèi)電池廠商也在跟蹤，但是至目前為止還沒有看到量產(chǎn)的產(chǎn)品。特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上，特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上。

硅材料在鋰電池的應(yīng)用

硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，主要涉及兩方面，一是在負(fù)極材料中加入納米硅，形成硅碳負(fù)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)。

(一)納米硅：鋰電負(fù)極材料的重要成員

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，常由溶膠凝膠法等方法制備而成。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：①與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料，作為鋰離子電池的負(fù)極材料，大幅提高鋰離子電池的容量，這是我們關(guān)注的重點;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(fù)合材料，用做切削刀具;④可與有機物反應(yīng)，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(dǎo)體微電子封裝材料;⑦金屬表面處理。

(二)有機硅：鋰電電解液的功能添加劑

有機硅，是一類人工合成的，結(jié)構(gòu)上以硅原子和氧原子為主鏈的一種高分子聚合物。由于構(gòu)成主鏈的硅-氧結(jié)構(gòu)具有較強的化學(xué)鍵結(jié)，因此有機硅高聚物的分子比一般有機高聚物對熱、氧穩(wěn)定得多。 有機硅獨特的結(jié)構(gòu)，使其兼?zhèn)淞藷o機材料與有機材料的性能，具有表面張力低、粘溫系數(shù)小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質(zhì)，并具有耐高低溫、電氣絕緣、耐氧化穩(wěn)定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、建筑、運輸、化工、紡織、食品、輕工、醫(yī)療等行業(yè)，其中有機硅主要應(yīng)用于密封、粘合、潤滑、涂層、表面活性、脫模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。

盡管有機硅在室溫下的力學(xué)性能與其它材料差異不大，但其在高溫及低溫下的物理、力學(xué)性能表現(xiàn)卓越，溫度在-60到+250℃多次交變而其性能不受影響，故有機硅高聚物可在這個溫度區(qū)域內(nèi)長期使用，有些有機硅高聚物甚至能在低至-100℃下正常使用。

硅負(fù)極材料的缺點

硅負(fù)極材料的缺點也相當(dāng)明顯，主要有兩大缺點：①硅在鋰離子嵌入脫嵌過程中，會引起Si體積膨脹100%~300%，在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，對材料結(jié)構(gòu)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(fù)形成-破裂-形成，共同降低了電極的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性;②硅為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性比石墨差很多，導(dǎo)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(chǎn)生的體積膨脹和首次充放電效率低的問題。