中國粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池負(fù)極材料將向高比容量、高充放電效率、高循環(huán)性能和低成本的方向發(fā)展，石墨材料將無法滿足未來鋰離子電池在電動(dòng)汽車行業(yè)和儲(chǔ)能領(lǐng)域的高比容量需求，N. Nitta等歸納了目前已證明的具有載鋰能力的元素及比容量，其中，元素 Si 備受青睞。C.J. Wen等發(fā)現(xiàn)，Si和Li在415℃條件下，可生成Li₁₂Si₇、Li₇Si₃、Li₁₃Si₄和Li₂₂Si₅等中間化合物相。Si的理論比容量最高可達(dá)4200mAh/g（對應(yīng)Li₂₂Si₅），是石墨材料的10倍多。此外，Si的嵌鋰電位高于石墨，地殼中含量豐富、成本低、無毒，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種理想的鋰離子電池負(fù)極材料，應(yīng)用前景良好。

硅的嵌鋰電位約為<0.5V（vs. Li/Li⁺），在充放電過程中硅表面不容易析鋰，從而提高電池的安全性，隨著用戶對鋰電池高容量、高倍率等性能要求逐步提高，硅基負(fù)極增長確定性強(qiáng)，未來幾年將替代部分天然石墨市場份額。但是，硅嵌鋰產(chǎn)生巨大體積膨脹、硅導(dǎo)電性差、鋰離子遷移率低等瓶頸嚴(yán)重阻礙了硅作為鋰電池負(fù)極的推廣應(yīng)用。

眾多科研人員對如何解決硅基負(fù)極最嚴(yán)重的缺陷，即循環(huán)過程中體積膨脹的問題展開了研究和探討。

Si作為負(fù)極材料在循環(huán)過程中與Li之間形成合金，在這個(gè)過程中，Si-Si鍵變?yōu)長i-Si鍵，在去合金化過程中又重新回到Si-Si鍵，Si-Si鍵的鍵長遠(yuǎn)小于Li-Si鍵的鍵長，因此在多次循環(huán)充放電過程中，不斷發(fā)生兩種鍵長的周期性變化，從而使其體積膨脹、收縮現(xiàn)象循環(huán)往復(fù)。 

為了解決上述問題和挑戰(zhàn)，使硅基負(fù)極材料獲得良好的儲(chǔ)鋰性能，科研人員提出了各種方法和思路，主要有以下兩種方法： 

1、硅顆粒納米化

納米級別的硅作為負(fù)極比大顆粒的硅作為負(fù)極更耐斷裂。一般來說，在變形的過程中，較小的硅納米顆粒在內(nèi)部積蓄的應(yīng)力不足以產(chǎn)生裂紋，即裂紋增長需要的應(yīng)力大于納米硅顆粒體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，對硅顆粒進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如納米顆粒、納米片和納米多孔結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種緩解硅負(fù)極巨大體積膨脹的有效方法。

2、硅與碳材料復(fù)合 

研究人員開發(fā)出了各種碳材料和Si的復(fù)合材料，碳材料具有良好的導(dǎo)電性，能夠彌補(bǔ)硅獨(dú)立作為電極活性物質(zhì)時(shí)導(dǎo)電性不佳的缺陷；同時(shí)碳材料對硅進(jìn)行包覆，有效緩解了硅膨脹的問題；在碳層上形成穩(wěn)定而較薄的SEI膜，可以改善硅電極SEI膜破碎重組的情況。硅碳復(fù)合材料電化學(xué)性能的提高不僅源于碳的優(yōu)異性能，也與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多組分之間的協(xié)同效應(yīng)密切相關(guān)。目前主流的研究方向有核殼結(jié)構(gòu)、蛋黃核殼結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)、硅石墨烯納米片等。 

廈門大學(xué)能源學(xué)院鄭淞生副教授課題組基于行業(yè)痛點(diǎn)，采用低成本微米硅為原料，耦合低成本工藝技術(shù)，成功生產(chǎn)出了高性能的硅碳負(fù)極材料。

2024年10月29-31日在上�？鐕�采購會(huì)展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會(huì)與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024硅基負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)研討會(huì)暨第三屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時(shí)來自廈門大學(xué)能源學(xué)院的副教授/博導(dǎo)鄭淞生將作題為《低成本高性能鋰電池硅碳負(fù)極材料》的報(bào)告。報(bào)告主講人將介紹其團(tuán)隊(duì)采用低成本微米硅為原料，耦合低成本工藝技術(shù)，成功生產(chǎn)出高性能的硅碳負(fù)極材料的方法。   

專家簡介：

鄭淞生，現(xiàn)任廈門大學(xué)能源學(xué)院副教授/副所長,博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟茉床牧吓c能源裝備，包括電池材料（鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池）、氫氨能源材料與裝備相關(guān)研究，特別擅長相關(guān)的硅碳材料，如鋰電池的硅碳負(fù)極材料、氫燃料電池的硅碳離子擴(kuò)散隔膜和雙極板、功能摻雜硅碳，以及稀土摻雜發(fā)光材料等。至今主持或參加14 項(xiàng)項(xiàng)目，包括國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建省重大科技專項(xiàng)、企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化合作項(xiàng)目等。發(fā)表英文學(xué)術(shù)論文30多篇，申請專利40多項(xiàng)，其中，已授權(quán)發(fā)明專利18項(xiàng)，授權(quán)實(shí)用新型專利9項(xiàng)。

參考來源：

史傲迪，鄭淞生等.冶金法制備低成本鋰離子電池Cu-Si負(fù)極 

隋林秀.鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備及其儲(chǔ)鋰性能研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）

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