新電池技術(shù)可以提升10倍的鋰電池容量
由于市場(chǎng)電子設(shè)備對(duì)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航工作的硬性要求，提高鋰電池高容量是鋰電池行業(yè)一直注重的核心問(wèn)題。那么提高鋰電池單位能量密度來(lái)提升電池的容量就是一個(gè)比較有效的電池技術(shù)方案。
目前負(fù)極材料開(kāi)發(fā)方向主要是提高材料的容量發(fā)揮，例如現(xiàn)在技術(shù)比較成熟的Si基材料，處于研發(fā)階段的氮摻雜石墨類(lèi)材料和以及金屬硫化物等材料容量發(fā)揮都可達(dá)到1000mAh/g以上，遠(yuǎn)高于石墨類(lèi)材料。值得注意的是近年來(lái)，金屬鋰（比容量達(dá)到3860mAh/g）負(fù)極材料由于安全性問(wèn)題和循環(huán)壽命問(wèn)題逐步得到解決，也開(kāi)始逐漸引起人們的注意。在目前眾多的高容量負(fù)極材料中，Si基負(fù)極材料憑借著豐富的資源儲(chǔ)量，低廉的價(jià)格獲得了廣泛的關(guān)注和研究，是目前生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)最為成熟，商業(yè)化程度最高的高容量負(fù)極材料，也是下一代高比能鋰離子電池負(fù)極材料的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。
以再利用硅為原材料，比如太陽(yáng)能電池板中的硅，并將其加工成含硅納米顆粒的碳基體。在每個(gè)顆粒中，受化學(xué)物質(zhì)影響，碳化硅纖維開(kāi)始生長(zhǎng)，在表面形成類(lèi)似絨毛的東西，并與其他顆粒上的絨毛相連接，提供機(jī)械保護(hù)。
目前，在鋰離子電池中，硅被認(rèn)為是最有望替代石墨的負(fù)極材料。如果將石墨負(fù)極換成硅負(fù)極，電池容量可以提高大約10倍。但是，在充電過(guò)程中，硅會(huì)膨脹，破壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。很多公司希望，通過(guò)調(diào)整硅片或硅顆粒的微結(jié)構(gòu)，來(lái)解決這一問(wèn)題。
這種粉末可應(yīng)用于不同濃度的石墨負(fù)極。濃度越高，存儲(chǔ)容量越大。加入不同數(shù)量的硅納米顆粒。例如，如果你想在不用冷卻的情況下，讓電池持續(xù)充電1000次，負(fù)極中的硅含量可以提高至15%。有時(shí)，只需250個(gè)循環(huán)周期，就可以加70%以上的硅。
硅是目前人類(lèi)至今為止發(fā)現(xiàn)的比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)極材料,是一種最有潛力的負(fù)極材料，但硅作為鋰電池負(fù)極應(yīng)用也有一些瓶頸，第一個(gè)問(wèn)題是硅在反應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)體積膨脹的問(wèn)題。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)可以證明嵌鋰和脫鋰都會(huì)引起體積變化，這個(gè)體積變化是320%。所以不論做成什么樣的材料，微觀上，在硅的原子尺度或者納米尺度，它的膨脹是300%。在材料設(shè)計(jì)時(shí)必需要考慮大的體積變化問(wèn)題。高體積容量的材料在局部會(huì)產(chǎn)生力學(xué)上的問(wèn)題，通過(guò)一系列的基礎(chǔ)研究證明，它會(huì)裂開(kāi)，形成嚴(yán)重的脫落。
硅體積膨脹會(huì)導(dǎo)致一系列結(jié)果
1.顆粒粉化，循環(huán)性能差
為什么說(shuō)硅碳材料是最有潛力的鋰電池負(fù)極
2.活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑粘結(jié)劑接觸差
為什么說(shuō)硅碳材料是最有潛力的鋰電池負(fù)極
3.硅表面的SEI膜是比較厚且不均勻的，受溫度和添加劑的影響很大，會(huì)影響鋰離子電池中整個(gè)比能量的發(fā)揮。
從長(zhǎng)期的基礎(chǔ)研究來(lái)看，①通過(guò)硅粉納米化；②硅碳包覆；等技術(shù)手段可以有效解決硅在鋰電池負(fù)極應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。無(wú)論是納米硅碳還是氧化亞硅碳，硅力求做到以下幾點(diǎn)：
硅粒徑：＜20nm（理論上越小越好）
均勻度：標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5nm
純度：＞99.95%
形貌：100%球形率
另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和電解液接觸，產(chǎn)生厚的SEI膜的消耗。微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很重要，要來(lái)維持在循環(huán)過(guò)程中電子的接觸，離子的通道，體積的膨脹。
碳包覆機(jī)理在于：Si的體積膨脹由石墨和無(wú)定形包覆層共同承擔(dān)，避免負(fù)極材料在嵌脫鋰過(guò)程因巨大的體積變化和應(yīng)力而粉化。碳包覆的作用是：
（1）約束和緩沖活性中心的體積膨脹
（2）阻止納米活性粒子的團(tuán)聚
（3）阻止電解液向中心滲透，保持穩(wěn)定的界面和SEI
（4）硅材料貢獻(xiàn)高比容量，碳材料貢獻(xiàn)高導(dǎo)電性
硅基負(fù)極材料主要分為兩大類(lèi)：1）晶體硅材料；2）氧化亞硅材料。晶體硅材料最大的優(yōu)勢(shì)是容量高，在完全嵌鋰狀態(tài)下晶體硅材料的比容量可達(dá)4200mAh/g（Li4.4Si），達(dá)到石墨材料的10倍以上，甚至要比金屬鋰負(fù)極的容量（3860mAh/g）還要高，但是硅負(fù)極材料也存在嚴(yán)重的體積膨脹問(wèn)題，在完全嵌鋰狀態(tài)下，Si負(fù)極的體積膨脹可達(dá)300%，這不僅僅會(huì)導(dǎo)致Si負(fù)極的顆粒破碎，還會(huì)破壞電極的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和粘接劑網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失，從而嚴(yán)重影響硅負(fù)極材料的循環(huán)性能，這也成為了阻礙Si負(fù)極材料應(yīng)用最主要的障礙。解決Si材料體積膨脹大的問(wèn)題的思路主要有三個(gè)：1）納米化，通過(guò)制備納米硅顆粒、納米硅薄膜等手段，抑制Si在充放電過(guò)程中的體積變化；2）制備特殊形狀的Si晶體材料，例如蜂窩狀材料，樹(shù)枝狀的Si材料，利用Si材料自身的形變吸收充放電過(guò)程中的體積變化，改善Si材料的循環(huán)性能；3）Si/C復(fù)合材料，通過(guò)Si與石墨材料復(fù)合，利用石墨材料緩沖Si材料在循環(huán)過(guò)程中的體積變化，以改善Si材料的循環(huán)性能。
