新電池技術(shù)可以提升10倍的鋰電池容量

由于市場電子設(shè)備對長時間續(xù)航工作的硬性要求，提高鋰電池高容量是鋰電池行業(yè)一直注重的核心問題。那么提高鋰電池單位能量密度來提升電池的容量就是一個比較有效的電池技術(shù)方案。

目前負(fù)極材料開發(fā)方向主要是提高材料的容量發(fā)揮，例如現(xiàn)在技術(shù)比較成熟的Si基材料，處于研發(fā)階段的氮摻雜石墨類材料和以及金屬硫化物等材料容量發(fā)揮都可達(dá)到1000mAh/g以上，遠(yuǎn)高于石墨類材料。值得注意的是近年來，金屬鋰（比容量達(dá)到3860mAh/g）負(fù)極材料由于安全性問題和循環(huán)壽命問題逐步得到解決，也開始逐漸引起人們的注意。在目前眾多的高容量負(fù)極材料中，Si基負(fù)極材料憑借著豐富的資源儲量，低廉的價格獲得了廣泛的關(guān)注和研究，是目前生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)最為成熟，商業(yè)化程度最高的高容量負(fù)極材料，也是下一代高比能鋰離子電池負(fù)極材料的強(qiáng)有力競爭者。

以再利用硅為原材料，比如太陽能電池板中的硅，并將其加工成含硅納米顆粒的碳基體。在每個顆粒中，受化學(xué)物質(zhì)影響，碳化硅纖維開始生長，在表面形成類似絨毛的東西，并與其他顆粒上的絨毛相連接，提供機(jī)械保護(hù)。

目前，在鋰離子電池中，硅被認(rèn)為是最有望替代石墨的負(fù)極材料。如果將石墨負(fù)極換成硅負(fù)極，電池容量可以提高大約10倍。但是，在充電過程中，硅會膨脹，破壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。很多公司希望，通過調(diào)整硅片或硅顆粒的微結(jié)構(gòu)，來解決這一問題。

這種粉末可應(yīng)用于不同濃度的石墨負(fù)極。濃度越高，存儲容量越大。加入不同數(shù)量的硅納米顆粒。例如，如果你想在不用冷卻的情況下，讓電池持續(xù)充電1000次，負(fù)極中的硅含量可以提高至15%。有時，只需250個循環(huán)周期，就可以加70%以上的硅。

硅是目前人類至今為止發(fā)現(xiàn)的比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)極材料,是一種最有潛力的負(fù)極材料，但硅作為鋰電池負(fù)極應(yīng)用也有一些瓶頸，第一個問題是硅在反應(yīng)中會出現(xiàn)體積膨脹的問題。通過理論計算和實驗可以證明嵌鋰和脫鋰都會引起體積變化，這個體積變化是320%。所以不論做成什么樣的材料，微觀上，在硅的原子尺度或者納米尺度，它的膨脹是300%。在材料設(shè)計時必需要考慮大的體積變化問題。高體積容量的材料在局部會產(chǎn)生力學(xué)上的問題，通過一系列的基礎(chǔ)研究證明，它會裂開，形成嚴(yán)重的脫落。

硅體積膨脹會導(dǎo)致一系列結(jié)果

1.顆粒粉化，循環(huán)性能差

為什么說硅碳材料是最有潛力的鋰電池負(fù)極

2.活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑粘結(jié)劑接觸差

為什么說硅碳材料是最有潛力的鋰電池負(fù)極

3.硅表面的SEI膜是比較厚且不均勻的，受溫度和添加劑的影響很大，會影響鋰離子電池中整個比能量的發(fā)揮。

從長期的基礎(chǔ)研究來看，①通過硅粉納米化；②硅碳包覆；等技術(shù)手段可以有效解決硅在鋰電池負(fù)極應(yīng)用中遇到的問題。無論是納米硅碳還是氧化亞硅碳，硅力求做到以下幾點：

硅粒徑：＜20nm（理論上越小越好）

均勻度：標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5nm

純度：＞99.95%

形貌：100%球形率

另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和電解液接觸，產(chǎn)生厚的SEI膜的消耗。微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計也很重要，要來維持在循環(huán)過程中電子的接觸，離子的通道，體積的膨脹。

碳包覆機(jī)理在于：Si的體積膨脹由石墨和無定形包覆層共同承擔(dān)，避免負(fù)極材料在嵌脫鋰過程因巨大的體積變化和應(yīng)力而粉化。碳包覆的作用是：

（1）約束和緩沖活性中心的體積膨脹

（2）阻止納米活性粒子的團(tuán)聚

（3）阻止電解液向中心滲透，保持穩(wěn)定的界面和SEI

（4）硅材料貢獻(xiàn)高比容量，碳材料貢獻(xiàn)高導(dǎo)電性

硅基負(fù)極材料主要分為兩大類：1）晶體硅材料；2）氧化亞硅材料。晶體硅材料最大的優(yōu)勢是容量高，在完全嵌鋰狀態(tài)下晶體硅材料的比容量可達(dá)4200mAh/g（Li4.4Si），達(dá)到石墨材料的10倍以上，甚至要比金屬鋰負(fù)極的容量（3860mAh/g）還要高，但是硅負(fù)極材料也存在嚴(yán)重的體積膨脹問題，在完全嵌鋰狀態(tài)下，Si負(fù)極的體積膨脹可達(dá)300%，這不僅僅會導(dǎo)致Si負(fù)極的顆粒破碎，還會破壞電極的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和粘接劑網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失，從而嚴(yán)重影響硅負(fù)極材料的循環(huán)性能，這也成為了阻礙Si負(fù)極材料應(yīng)用最主要的障礙。解決Si材料體積膨脹大的問題的思路主要有三個：1）納米化，通過制備納米硅顆粒、納米硅薄膜等手段，抑制Si在充放電過程中的體積變化；2）制備特殊形狀的Si晶體材料，例如蜂窩狀材料，樹枝狀的Si材料，利用Si材料自身的形變吸收充放電過程中的體積變化，改善Si材料的循環(huán)性能；3）Si/C復(fù)合材料，通過Si與石墨材料復(fù)合，利用石墨材料緩沖Si材料在循環(huán)過程中的體積變化，以改善Si材料的循環(huán)性能。