中國粉體網(wǎng)訊 1、機遇與挑戰(zhàn)
硅基負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極材料。當下石墨負極仍然占據(jù)市場主流，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。未來，石墨負極將不能滿足鋰離子電池市場的高性能需求。隨著技術(shù)創(chuàng)新、消費需求的變化，負極材料市場在呼喚新一代高性能產(chǎn)品出現(xiàn)。
業(yè)界在尋找替代性材料的過程中，經(jīng)過許多嘗試，也有不少新的高能量密度負極材料被研發(fā)和試用，例如金屬鋰負極、合金類負極、金屬氧化物負極、金屬硫化物負極等等。但是大部分新材料往往在具備高性能的同時也存在嚴重缺陷，難以實現(xiàn)材料應用的規(guī)模化。在負極材料研究中，硅（Si）作為地殼中第二豐富元素，在儲量、成本、生態(tài)方面有優(yōu)勢，被視為最具吸引力的材料，也成為近年來負極材料研究的熱點。目前真正商業(yè)化應用的負極材料只有三種，其中之一就是硅基負極。
雖然硅基負極被業(yè)界視為新寵，但是這顆新星在被熱捧的同時，仍然有一些瓶頸問題需要面對。硅基負極材料要想真正實現(xiàn)大規(guī)模應用，要解決三個問題：一是體積膨脹問題，硅充放電過程中體積膨脹收縮變化達320%（石墨僅12%），會產(chǎn)生較大的機械應力，多次循環(huán)后硅顆粒會發(fā)生斷裂和粉化，造成負極失效；二是內(nèi)部應力和裂紋，硅負極巨大的體積變化誘發(fā)電極內(nèi)部應力積累，產(chǎn)生裂紋，導致電極粉化，活性材料與集流體分離，性能衰減；三是庫倫效率問題，硅負極巨大的體積效應還會導致界面的不穩(wěn)定性，造成SEI的持續(xù)生長，損失活性鋰源，降低庫侖效率。
新能源市場的火熱，驅(qū)動負極材料市場的產(chǎn)品迭代和創(chuàng)新研發(fā)。大家普遍看好硅基負極的未來前景，為了解決硅基材料應用的瓶頸問題，研發(fā)人員探索了不同路線，對硅基負極進行優(yōu)化提升，以期快速實現(xiàn)硅基負極材料的商業(yè)化應用。隨著研發(fā)的推進，產(chǎn)生了包括納米化、硅氧化、復合化、多孔化、合金化、預鋰化等多種路線。
2、商業(yè)化路線
目前，對于硅基負極材料商業(yè)化主流路線是硅材料與石墨材料復合，通過摻雜，制備硅碳復合材料。碳材料體積變化小，循環(huán)性能優(yōu)良，將硅與石墨摻雜，抑制體積膨脹，同時改善硅基材料的導電性。
在與石墨材料復合過程中，硅材料可以選擇納米化硅和氧化亞硅。因此，根據(jù)硅的不同，可以將摻雜路線分為兩種，即硅碳復合材料和氧化亞硅復合材料。
硅碳復合材料，首先需要將硅進行納米化處理，縮小其體積，進而使之與石墨材料混合。硅碳復合材料結(jié)合硅的高比容量與碳材料的高導電、低膨脹、循環(huán)穩(wěn)定等特點，具有很好的能量密度。目前商業(yè)化硅碳復合材料，摻硅量大都在10%以下，比容量在400-700mAh/g之間。但硅碳復合材料，循環(huán)差，一般在500-600周，主要用于3c消費電子、電動工具市場。
氧化亞硅復合材料，采用氧化亞硅和石墨材料混合，目前商業(yè)化應用容量主要在450-500mAh/g之間，循環(huán)性能在700-800圈，成本較高，首效相對較低，但循環(huán)性能相對較好，可應用于3c消費電子及動力電池。
硅碳負極與硅氧負極對比（資料來源：頭豹研究院）
以上硅基負極兩條路線的工序主要分為兩大部分，一是硅材料的處理，二是與碳材料復合。
兩種材料的制備有類似之處，工序上都包含球磨、碳包覆、造粒，不同之處為硅碳復合材料需經(jīng)過兩次球磨再加入石墨負極，而硅氧復合材料是一次球磨，但其重點在于用氧化亞硅制備。
硅碳復合材料的生產(chǎn)核心在于納米硅的制備，氧化亞硅復合材料生產(chǎn)的核心在于氧化亞硅的制備。
納米硅粉制備流程（資料來源：中國知網(wǎng)、中金研究部）
氧化亞硅制備流程（資料來源：中國知網(wǎng)、貝特瑞專利、天風證券研究所）
硅碳負極制備流程（資料來源：中國知網(wǎng)、中金研究部）
硅氧負極制備流程（資料來源：中國知網(wǎng)、中金研究部）
參考來源：
[1]頭豹研究院.2022年中國硅基負極材料產(chǎn)業(yè)前景研究報告
[2]天風證券.高鎳+高電壓+大圓柱：放量拐點，看好硅負極及衍生新材料投資機會
[3]中金點睛.硅碳負極產(chǎn)業(yè)化腳步臨近
[4]趙悅.硅基材料在鋰電池中的應用及其性能研究
[5]方銳.鋰離子電池高能量密度負極材料研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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