鋰離子電池硅基負(fù)極材料的應(yīng)用

來源：存能電氣  日期：2019-08-05 09:24  瀏覽量：次

　　鋰離子電池硅基負(fù)極材料的應(yīng)用。與傳統(tǒng)石墨負(fù)極相比，硅具有超高的理論比容量（4200mAh/g）和較低的脫鋰電位（<0.5V），且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時難引起表面析鋰，安全性能更好。硅成為鋰離子電池碳基負(fù)極升級換代的富有潛力的選擇之一。

　　鋰離子電池硅基負(fù)極材料的應(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)。與傳統(tǒng)的負(fù)極材料相比，硅負(fù)極材料具有較高的能量密度和低的電化學(xué)電勢。硅負(fù)極材料的理論容量為4200mAh/g，是石墨負(fù)極材料的2～10倍、尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰(Li4Ti5O12)材料的4～20倍。

　　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;

　　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。

　　鋰離子電池硅負(fù)極材料的缺點

　　①硅在鋰離子電池嵌入脫嵌過程中，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。

　　硅材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1.無定型硅和硅的氧化物

　　（1）無定型硅

　　無定形硅在低電位下?lián)碛休^高的容量，作為鋰離子電池負(fù)極材料"相比于石墨類電極材料安全性能更高。但無定形硅材料只能在有限程度上緩解顆粒的破碎和粉化，其循環(huán)穩(wěn)定性仍不能滿足作為高容量電池負(fù)極材料的要求。

　　（2）硅的氧化物

　　作為鋰離子電池負(fù)極材料，SiO具有較高的理論比容量（1200mAh/g以上）、良好的循環(huán)性能以及較低的脫嵌鋰電位，因此也是一種極具潛力的高容量鋰離子電池負(fù)極材料。但氧化硅含氧量的不同也會影響其穩(wěn)定性和可逆容量：隨著氧化硅中氧的提高，循環(huán)性能提高，但可逆容量減小。

　　采用傳統(tǒng)石墨負(fù)極的鋰離子電池因其有限的儲能能力已經(jīng)不再能夠滿足新興市場的需求，硅基材料以其高的理論比容量而成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料的理想選擇。但是，受限制于儲鋰過程中巨大體積變化及其較差的導(dǎo)電性的問題，硅基負(fù)極材料規(guī)模化、商業(yè)化之路仍困難重重。