中國粉體網(wǎng)訊 硅基負(fù)極作為下一代新能源車動力電池能量密度提升的關(guān)鍵材料，一直是研發(fā)和關(guān)注的焦點。由于硅材料容易膨脹，巨大的體積變化會引起硅顆粒的破碎分化，從而影響電池的首效和壽命。為了緩解膨脹，商業(yè)化應(yīng)用時大多會選擇將石墨材料和硅材料復(fù)合。硅材料分為納米硅和氧化亞硅，對應(yīng)硅基負(fù)極兩條路線：硅碳負(fù)極和硅氧負(fù)極。
硅碳負(fù)極
硅碳負(fù)極采用納米硅和石墨材料混合，通過降低硅基材料粒徑至納米級別，可以擁有較小的顆粒尺寸和更多的空隙，更容易緩沖硅在脫嵌鋰離子過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和形變。此外，納米顆粒可以縮短鋰離子擴(kuò)散距離，增加硅材料儲鋰能力。
硅碳負(fù)極制備流程（中金公司）
硅碳負(fù)極生產(chǎn)工藝核心難點在于納米硅粉的制備。研究發(fā)現(xiàn)，單個硅納米粒子的鋰化，發(fā)現(xiàn)存在一個約150nm的臨界粒徑，低于該臨界粒徑時，顆粒在第一次鋰化時不會破裂，所以降低硅材料粒徑是減少粉化的有效途徑。
常見的納米硅的生產(chǎn)工藝有鎂熱還原法、硅烷熱解法、放電等離子法和機(jī)械研磨法。國內(nèi)納米硅粉的制備主要以機(jī)械研磨法為主，美國、日本等國家的企業(yè)對納米硅粉的研究起步較早，日本帝人，美國杜邦等企業(yè)均可以用等離子蒸發(fā)冷凝法進(jìn)行納米硅粉的制備，目前國內(nèi)等離子體法進(jìn)展較快的企業(yè)為博遷新材，目前已經(jīng)處于中試階段。
硅氧負(fù)極
硅氧負(fù)極采用氧化亞硅（SiOx）和石墨材料混合，相比于硅材料，氧化亞硅材料在嵌鋰過程中的體積膨脹大大減小，因此循環(huán)性能也得到了極大的提升。
硅氧負(fù)極制備流程（中金公司）
硅氧負(fù)極的核心是制備SiOx。大部分的企業(yè)是將純硅和SiO2合成SiOx，形成硅氧負(fù)極前驅(qū)體，然后經(jīng)粉碎、分級、表面處理、燒結(jié)、篩分、除磁等工序制備而成。
哪個更有前途？
目前商業(yè)化硅碳負(fù)極容量在450mAh/g以下，一般用于消費電池。但硅碳負(fù)極的體積膨脹嚴(yán)重，導(dǎo)致循環(huán)性能較差，一般在500-600周，達(dá)不到國際規(guī)定動力電池循環(huán)1000周的標(biāo)準(zhǔn)。一般從２個方面對其進(jìn)行材料改性：一方面是對硅單質(zhì)體系的改性，如使用納米硅和硅薄膜等；另一方面是對碳／硅基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)改性，如核－殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。
目前商業(yè)化硅氧負(fù)極應(yīng)用容量主要在450-500mAh/g，既可用于消費也可用于動力。但SiOx材料目前主要存在兩個問題：首次庫侖效率低和循環(huán)性能的衰減。前者目前較為實際的解決辦法主要是通過向添加少量的Li源，在充電的過程中利用這部分額外的Li補(bǔ)充首次充電過程中不可逆的Li消耗，以達(dá)到提升鋰離子電池首次效率的目的；后者主要是通過碳包覆與SiOx納米化來緩沖體積膨脹，提升循環(huán)穩(wěn)定性。
綜合來看，兩個材料都很有前途。就目前而言，硅氧負(fù)極比容量高，作為電池性能比較適中；但隨著硅碳負(fù)極的研究深入，如果其循環(huán)壽命能達(dá)到1000圈，加上首效強(qiáng)的優(yōu)點，也會很有前景。
參考文獻(xiàn)：
1、邱治文等，《Si基鋰離子電池負(fù)極材料研究進(jìn)展》
2、譙渭川等，《硅氧材料的膨脹性能研究和改善》
3、王毅杰等，《機(jī)械法原位包覆制備納米硅及其電性能研究》
4、祝鵬浩等，《鋰／硅電池抑制硅基電極體積膨脹的方法》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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