中國粉體網(wǎng)訊 石墨類負(fù)極是鋰電負(fù)極市場的主流，但由于石墨材料的比容量已接近理論比容量極限372mAh/g，進一步提升空間有限，限制了高性能鋰離子電池的發(fā)展。硅基負(fù)極材料因其具備高理論容量、低脫嵌鋰電位、環(huán)境友好、儲量豐富等優(yōu)點，被視為最具潛力的下一代負(fù)極材料。
1、硅基負(fù)極存在的問題
硅基負(fù)極材料要想真正實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要面對三個方面的挑戰(zhàn)：
一是體積膨脹問題。硅負(fù)極嵌鋰為合金化反應(yīng)機理，在帶來高理論比容量的同時（4200mAh/g），也造成了巨大的體積變化（約300%）。
二是應(yīng)力積累和裂紋的產(chǎn)生問題。硅負(fù)極巨大的體積變化誘發(fā)電極內(nèi)部應(yīng)力積累，產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致電極粉化，活性材料與集流體分離，性能衰減。
三是不穩(wěn)定的SEI。硅負(fù)極巨大的體積效應(yīng)還會導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定性，造成SEI的持續(xù)生長，損失活性鋰源，降低庫侖效率。
2、硅碳負(fù)極研究進展
為了充分利用硅的高比容量，改善其缺陷，研究人員做了大量的研究。其中，最有效的策略之一就是制備硅/碳復(fù)合材料，這種方法可以綜合利用硅的高比容量和碳材料良好的機械性能和導(dǎo)電性。
（1）硅/石墨復(fù)合材料
利用化學(xué)氣相沉積法或者機械球磨的方式可以制備硅/石墨復(fù)合材料。雖然化學(xué)氣相沉積法制備的樣品更均勻、更規(guī)律，但成本相對較高。機械球磨等物理方法在規(guī)�；蜕a(chǎn)成本上更具優(yōu)勢。Sun等采用硼摻雜的微結(jié)構(gòu)硅和石墨復(fù)合，表現(xiàn)出了高的容量和保持率。目前，在硅碳材料的生產(chǎn)中，硅添加的比例為1%-5%左右。由于石墨價格低廉，以石墨作為主要復(fù)合成分的硅/石墨復(fù)合材料成為生產(chǎn)中的首選。
（2）硅/碳納米管復(fù)合材料
在幾種著名的碳材料中，碳納米管的導(dǎo)電性極佳，物理穩(wěn)定性好，作為添加劑用于改善硅基材料的電化學(xué)性能引人注目。研究表明，納米硅顆粒沿著碳納米管均勻分布后可以優(yōu)化硅的電化學(xué)性能。將10nm的硅沉積在直徑為5nm的碳納米管上，得到的復(fù)合材料容量高達3000mAh/g（充放電速率為1.3C）。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以緩解硅的體積膨脹現(xiàn)象，并沿著軸向為電荷傳遞提供連續(xù)的路徑，改善復(fù)合材料的電子電導(dǎo)率和電化學(xué)性能。
（3）硅/石墨烯復(fù)合材料
石墨烯柔韌性好、比表面積大、電子電荷導(dǎo)電率高，是包覆納米硅顆粒的理想材料。Li等人將納米硅顆粒、蔗糖和氧化石墨烯混合物進行冷凍干燥，然后經(jīng)過熱處理，制備出了Si@C/graphene復(fù)合材料。該方法在實現(xiàn)納米硅顆粒的碳包覆的同時，也解決了石墨烯基片在復(fù)合材料的分散不好的問題。該復(fù)合材料在500mAh/g的電流密度下，首次充放庫侖效率為83.7%，100個循環(huán)后比容量依然高達1410mAh/g，容量保持率為67%。
目前，硅基負(fù)極的應(yīng)用尚處于起步階段，隨著研究的不斷深入，其產(chǎn)業(yè)化也在被逐步推進。
針對各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于10月18-19日在青島舉辦2022先進負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇，旨在為負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，助推負(fù)極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，中科院金屬所李峰研究員將作《硅碳負(fù)極挑戰(zhàn)和進展》的報告。報告將針對硅基負(fù)極存在的問題，系統(tǒng)闡述硅基材料的改性策略，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)鋰化、粘結(jié)劑、電解液和硅/石墨復(fù)合等；對硅基負(fù)極面向商業(yè)應(yīng)用所關(guān)注的指標(biāo)進行講解，包括面容量、首次庫倫效率和材料成本等。此外，報告將對硅基負(fù)極的研究進展進行總結(jié)并做出展望。
專家簡介：
李峰，1995年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，2001年在中科院金屬所獲博士學(xué)位，后在中科院金屬所先后擔(dān)任助研、副研和研究員。主要從事新型電化學(xué)儲能材料與器件的研究，在《Adv Mater》《Nature Energy》等期刊發(fā)表論文300余篇，被引用超過55000次，2016-2021連續(xù)入選科睿維安高被引用科學(xué)家，獲得國家發(fā)明專利20余項。獲得國家杰出青年基金（2015），2018年獲得遼寧省自然科學(xué)一等獎（排名第一），被聘為《新型炭材料》《儲能科學(xué)與技術(shù)》《Journal of Energy Chemistry》《Energy Storage Materials》編委。
參考來源：
張成鵬等.鋰電池硅碳負(fù)極材料的研究進展
周軍華等.鋰離子電池納米硅碳負(fù)極材料研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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