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硅碳負(fù)極助力鋰離子電池能量密度提升

歐美克 2024-04-15 | 閱讀：1859

發(fā)展硅碳負(fù)極的必要性

負(fù)極材料是鋰離子電池的重要組成部分，其性能直接影響電池的能量密度,、循環(huán)壽命,、安全性能等。鋰離子電池負(fù)極材料主要分為碳材料和非碳材料兩大類,，具體分類如下：

其中,，石墨負(fù)極占據(jù)主要地位，實(shí)際應(yīng)用占比超過95%,，但石墨的理論容量只有372mA/g,，已經(jīng)不能滿足高容量、高能量密度鋰離子電池發(fā)展需求,，而硅碳負(fù)極材料鋰論能量密度（3572mA/g）遠(yuǎn)高于石墨,，被認(rèn)為是新一代高能量密度鋰離子電池最具發(fā)展?jié)摿Φ呢?fù)極材料。隨著鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),，硅碳負(fù)極材料作為一種新型的電池材料在能源領(lǐng)域嶄露頭角,。

硅碳負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)

硅碳負(fù)極材料是近年才發(fā)展起來的一種新型鋰離子電池負(fù)極材料，它由硅基活性材料和碳基導(dǎo)電材料組成,。硅基活性材料可以提供高容量和良好的能量密度,，而碳基導(dǎo)電材料可以提供良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。因此,，硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有良好的綜合性能,，可以有效提高電池的能量密度和循環(huán)壽命。

硅碳負(fù)極材料的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1 高能量密度：硅碳負(fù)極材料具有較高的理論容量（3572mA/g）和實(shí)際容量（目前已達(dá)到1000mA/g以上）,，能夠提供更高的能量密度,，滿足對更長續(xù)航能力的需求。

2 快速充電：由于硅碳材料具有快速的鋰離子嵌入/脫嵌速度,，因此硅碳負(fù)極電池可以實(shí)現(xiàn)快速充電,。

3 高安全性：硅碳負(fù)極材料具有較低的膨脹率和較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不易發(fā)生短路或燃燒等安全問題,。

4 環(huán)境友好：硅碳負(fù)極材料是一種環(huán)保型材料,，生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有害物質(zhì)，同時在使用后也可以進(jìn)行回收再利用,，對環(huán)境的影響較小,。

硅碳負(fù)極材料的缺點(diǎn)包括：

1 體積膨脹：硅在嵌鋰過程中會發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致電池容量降低和結(jié)構(gòu)破壞,。

2 首次效率低：硅碳負(fù)極材料的首次充放電效率較低,，會影響電池的能量效率,。

3 成本較高：首先是納米硅顆粒價格不低,，其次是生產(chǎn)工藝復(fù)雜。

正因?yàn)楣杼钾?fù)極材料具有以上優(yōu)點(diǎn),，符合對更長續(xù)航能力和更高安全性能的需求,。同時,，硅碳負(fù)極也存在以上缺點(diǎn)需要進(jìn)一步克服，所以,，暫時還沒有得到大規(guī)模運(yùn)用,。

硅碳負(fù)極材料的分類

▲ 圖片來源百度，僅做科普宣傳

硅碳負(fù)極材料按結(jié)構(gòu)類型主要分為包覆型硅碳負(fù)極,、負(fù)載型硅碳負(fù)極,、分散型硅碳負(fù)極，分別介紹如下：

1 包覆型硅碳負(fù)極

包覆型硅碳負(fù)極材料往往是將不同納米結(jié)構(gòu)的硅材料進(jìn)行碳包覆,，這類材料以硅為主體提供可逆容量,，碳層主要作為緩沖層以減輕體積效應(yīng)，同時增強(qiáng)導(dǎo)電性,。包覆層通常為無定形碳,。

2 負(fù)載型硅碳負(fù)極

負(fù)載型硅碳負(fù)極材料通常是在不同結(jié)構(gòu)的碳材料(如碳纖維、碳納米管,、石墨烯等)表面或內(nèi)部,，負(fù)載或者嵌入硅薄膜、硅顆粒等,，這類硅碳復(fù)合材料中,，碳材料往往起到結(jié)構(gòu)支撐的力學(xué)作用，它們良好的機(jī)械性能有利于硅在循環(huán)中的體積應(yīng)力釋放,，形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高了電極整體的電子電導(dǎo)率,。

3 分散型硅碳負(fù)極

分散型硅碳負(fù)極材料是一種較為寬泛的復(fù)合材料體系，包括硅與不同材料的物理混合,，也涵蓋硅碳元素形成分子接觸的高度均勻分散復(fù)合物體系,。事實(shí)證明將硅材料均勻分散到碳緩沖基質(zhì)中，可以一定程度抑制硅的體積膨脹,。

硅碳負(fù)極材料的制備方法

硅碳負(fù)極材料的常見制備方法包括機(jī)械球磨法,、固相反應(yīng)法、溶膠凝膠法和化學(xué)氣相沉積法等,。這些方法通過控制原料配比,、反應(yīng)條件等可以得到具有不同硅碳比例和結(jié)構(gòu)形貌的材料。

近年來,，人們還提出了一些新的制備方法,，如模板法、基于無機(jī)骨架的合成等,，以提高硅碳負(fù)極材料的性能,。

硅碳負(fù)極材料的生產(chǎn)工藝

硅碳負(fù)極材料生產(chǎn)工藝包括原料準(zhǔn)備、碳化、燒結(jié),、碳化燒結(jié)等步驟,。

1 原料準(zhǔn)備：硅碳負(fù)極材料需要硅粉和碳粉兩種原料。硅粉需經(jīng)過粉碎,、篩選,、純化等工序處理。碳粉需經(jīng)過碳化,、粉碎等工序處理,。

2 碳化：將硅粉和碳粉按一定比例配制，加入適量的添加劑,，在高溫下進(jìn)行碳化反應(yīng),。

3 燒結(jié): 將碳化后的硅碳復(fù)合材料在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使材料結(jié)晶,，提高材料的密度和硬度,。

4 碳化燒結(jié)：將燒結(jié)后的硅碳復(fù)合材料再次在高溫和高壓下進(jìn)行碳化燒結(jié)，使材料具有更高的電導(dǎo)率和更好的電化學(xué)性能,。

5 制品成型：將碳化燒結(jié)后的硅碳復(fù)合材料進(jìn)行成型,，制成各種形狀的硅碳負(fù)極材料。常見的成型方式有壓塊,、針刺,、擠壓等。

6 檢測質(zhì)量：對制成的硅碳負(fù)極材料進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測,，確保材料質(zhì)量符合要求,。

7 包裝存儲：將硅碳負(fù)極材料進(jìn)行包裝，并存放在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中,，以防止材料受潮,、變質(zhì)。

總之,，硅碳負(fù)極材料生產(chǎn)工藝是一個綜合性工藝,，需要掌握多種技術(shù)知識，并經(jīng)過多次試驗(yàn)和優(yōu)化才能獲得高質(zhì)量的硅碳負(fù)極材料,。

影響硅碳負(fù)極材料性能的因素

影響硅碳負(fù)極材料性能的因素包括以下幾個方面：

1 硅碳負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)

硅碳負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)對其性能有著重要的影響,。在制備硅碳復(fù)合材料時，可以通過控制材料的形貌,、尺寸和組成等來優(yōu)化其性能,。例如，納米硅碳復(fù)合材料的性能優(yōu)于微米級硅碳復(fù)合材料,。

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 38823-2020 硅炭》對硅碳負(fù)極材料粒度分布規(guī)定如下：

2 硅碳負(fù)極材料的組成

硅碳負(fù)極材料中的硅和碳的種類,、含量以及它們的比例也會影響其性能,。硅碳負(fù)極材料主要包括硅-石墨復(fù)合材料、硅-無定型碳復(fù)合材料,、硅-碳納米管復(fù)合材料,、硅-石墨烯復(fù)合材料幾種,，在合適的硅和碳比例下,，硅碳負(fù)極材料可以獲得最佳的電化學(xué)性能。

3 硅碳復(fù)合材料的表面改性

表面改性可以改變硅碳復(fù)合材料的表面性質(zhì),，提高其電化學(xué)性能和穩(wěn)定性,。常用的表面改性方法包括化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積,、溶膠-凝膠法等,。

4 硅碳復(fù)合材料的制備方法

硅碳復(fù)合材料的制備方法對其性能也有影響。常用的制備方法包括化學(xué)氣相沉積法,、物理氣相沉積法,、溶膠-凝膠法、球磨法等,。不同的制備方法會對硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu),、形貌和尺寸產(chǎn)生影響，從而影響其性能,。

5 電解質(zhì)的性質(zhì)

電解質(zhì)的性質(zhì)也會影響硅碳材料性能,，比如電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性以及與電極材料的相容性等都會對電池性能產(chǎn)生影響,。

綜上所述,，為了獲得高性能的硅碳材料，需要綜合考慮以上因素,，并采取合適的制備方法和表面改性手段來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和組成,。

硅碳負(fù)極材料的應(yīng)用領(lǐng)域

1 電動汽車領(lǐng)域：硅碳負(fù)極材料能夠提供更高的電池能量密度和更長的使用壽命，使得電動汽車能夠擁有更長的續(xù)航里程和更快的充電速度,。同時,，硅碳負(fù)極材料的安全性和環(huán)保性也使得電動汽車在市場上更具競爭力。

2 儲能領(lǐng)域：硅碳負(fù)極材料能夠提供高能量密度和長壽命的儲能電池,，為電力,、通信等領(lǐng)域提供可靠的儲能解決方案。同時,，硅碳負(fù)極材料的環(huán)保性和安全性也使得儲能技術(shù)在可持續(xù)發(fā)展的趨勢下得到廣泛應(yīng)用,。

3 航空航天領(lǐng)域：硅碳負(fù)極材料具有高能量密度、長壽命和安全可靠等優(yōu)勢,，能夠?yàn)楹娇蘸教祛I(lǐng)域的能源需求提供可靠的解決方案,。例如,，在衛(wèi)星、無人機(jī)等領(lǐng)域,，硅碳負(fù)極材料能夠提供更輕,、更可靠的能源系統(tǒng)。

總之,，硅碳負(fù)極材料作為一種新型的電池材料,，具有高能量密度、快充性能,、環(huán)保和安全可靠等優(yōu)勢,，逐漸在能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

硅碳負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化狀況

2023年,，硅碳產(chǎn)業(yè)取得了群體性突破,，多家負(fù)極材料頭部企業(yè)表示硅基材料的膨脹問題得到有效解決，硅碳產(chǎn)品的膨脹性能明顯優(yōu)于硅氧產(chǎn)品,，膨脹問題不再是硅基負(fù)極材料商用化的瓶頸,。

公開資料顯示，貝特瑞,、欣旺達(dá),、天目先導(dǎo)、華智雄材,、安徽昱瓴,、石大勝華、杰瑞股份,、中科電氣,、新安股份、璞泰來,、碳峰科技等企業(yè)已經(jīng)量產(chǎn)硅碳復(fù)合負(fù)極材料,，部分企業(yè)正在建設(shè)規(guī)模化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)線,。

我們相信,，隨著特斯拉、蔚來,、廣汽埃安等車企硅碳負(fù)極電池裝車,，以及華為、小米等手機(jī)廠家嘗鮮,，硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)會很快進(jìn)入快速增長軌道,。

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