硅材料因儲量豐富，而當Si與Li形成Li4.4Si結構時(shí)，理論比容量可以達到4200mAh/g，比目前再鋰電池中廣泛使用的石墨能吸收近十倍的鋰離子，因此被認為具有制造大容量電池的前景。當然如此高的容量還沒(méi)能實(shí)際應用在電池上有其缺陷，充電狀態(tài)的Si負極體積膨脹可以達到原體積的3倍，這成為了阻攔在Si負極應用路上最大的障礙。
據了解，目前硅材料在鋰離子電池中的應用，主要涉及兩方面，一是在負極材料中加入納米硅，形成硅碳負極;二是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質(zhì)，目前常見(jiàn)在科技雜志上的主要是集中在硅負極材料。
阿爾伯塔大學(xué)創(chuàng )建新一代硅基鋰電池
近日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)家布里亞克(JillianBuriak)團隊發(fā)現將硅塑造成納米級的顆粒有助于防止它破裂。
納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無(wú)定形材料。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點(diǎn)，且無(wú)毒、無(wú)味。納米硅的應用領(lǐng)域廣泛：除了可用于制造耐高溫涂層和耐火材料，與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復合材料，用做切削刀具外，還可以與石墨材料組成硅碳復合材料，作為鋰離子電池的負極材料，大幅提高鋰離子電池的容量;可與有機物反應，作為有機硅高分子材料的原料。
該團隊研究測試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，確定多大的尺寸才能最大限度地發(fā)揮硅的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)最大限度地減少其缺點(diǎn)。它們均勻分布在由具有納米孔徑的碳制成的高導電性石墨烯氣凝膠中，以彌補硅的低導電性。
他們發(fā)現，最小的顆粒(直徑僅為30億分之一米)在多次充放電循環(huán)后表現出最佳的長(cháng)期穩定性。這克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發(fā)現可能導致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍，朝著(zhù)制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關(guān)鍵的一步。此項研究成果發(fā)表在《材料化學(xué)》雜志上。
這項研究有廣闊的應用前景，特別是在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，可以使其行駛里程更遠，充電速度更快，電池重量更輕。下一步是開(kāi)發(fā)一種更快、更便宜的方法來(lái)制造硅納米顆粒，使其更容易運用在工業(yè)生產(chǎn)上。
鋰電產(chǎn)業(yè)鏈布局百億硅負極市場(chǎng)
除了科研機構外，在政策的鼓勵和引導下，也有不少企業(yè)對硅基負極材料進(jìn)行了研發(fā)儲備。
國家工信部等四部委發(fā)布的《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》中提出，到2020年我國新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超300Wh/kg，到2025年單體比能量達500Wh/kg。
而傳統的石墨材料負極已接近天花板，因此，要發(fā)展高能量密度，正極采用高鎳三元材料，而負極使用硅碳負極材料將成為動(dòng)力電池市場(chǎng)的主流。據統計數據表明，2018年國內硅碳復合材料用量在2500噸左右，同比增長(cháng)約一倍。據預測，2025年國內硅碳負極材料市場(chǎng)空間將達百億。
2018年，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“新能源汽車(chē)”重點(diǎn)專(zhuān)項支持下，力神電池項目團隊在NCA正極材料研究基礎上，研制出容量高、循環(huán)穩定性的硅碳負極材料，并開(kāi)發(fā)出單體比能量達303Wh/Kg的電芯。今年1月，國軒高科在投資者交流互動(dòng)平臺表示，其制備的高鎳NCM811三元軟包樣品已于近期通過(guò)科技部的中期檢查，能量密度達302Wh/kg，負極采用硅碳材料。在前不久，中國科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高介紹，寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)的高鎳三元正極和硅碳負極電池的比能量已經(jīng)達到304Wh/kg，今年將投放市場(chǎng)。
此外，比克動(dòng)力、微宏動(dòng)力、萬(wàn)向A123等電池企業(yè)正在加快硅碳負極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。貝特瑞的碳硅負極，打入了特斯拉的供應鏈，為松下的動(dòng)力電池電芯配套部分負極材料;杉杉股份、江西紫宸等具備了小量試產(chǎn)能力……國內鋰電產(chǎn)業(yè)鏈也在積極布局含硅負極材料。
事實(shí)上，從能量密度來(lái)看，300Wh/kg左右的能量密度只發(fā)揮了硅基材料很小的作用，而且國內進(jìn)入硅負極材料的研發(fā)領(lǐng)域稍落后于國外。
硅碳材料早先是在日韓企業(yè)中應用較多，松下和三星的產(chǎn)品都有成熟應用。據悉，日本松下目前已實(shí)現硅碳負極材料的電池量產(chǎn);日本湯淺電池、日立麥克賽爾、日本三井金屬等企業(yè)也已有成熟的電池方案……
