硅基負極新一代鋰電材料市場化進程加速

1、負極材料新一輪技術迭代，硅基負極帶來新優(yōu)勢硅基負極能量密度優(yōu)勢明顯，與碳復合為未來方向鋰電池負極材料對于鋰離子電池起關鍵作用。在充電過程負極材料中不斷地與鋰離子發(fā)生反應， 將鋰離子“擒獲并存儲”起來，亦將外部的功以能量的形式存儲在電池中。在電池的放電過程中，鋰離子從負極轉移到正極，電池對外做功。因此，鋰離子與負極材料的可逆反應能力決定著鋰離 子電池的儲能效應，鋰離子電池性能的提高在一定程度上取決于對負極材料性能的改善。鋰電池負極材料主要

2、分為碳類材料和非碳材料。碳類材料包括天然石墨負極、人造石墨負極、軟炭 (如焦炭) 負極、硬炭負極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等，非碳基材料主要分為硅基及其復合材料、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。圖 1：負極材料分類《鋰離子電池負極材料研究進展——武明昊》，硅負極理論比容量優(yōu)勢明顯。目前廣泛使用負極材料是石墨材料，但商業(yè)化的石墨負極容量發(fā)揮已接近其理論比容量（372 mAh/g），限制其進一步的應用，因此迫切需要開發(fā)出具有更高比容量的負極材

3、料。而硅負極具有很高的理論比容量（4200 mAh/g）和較低的電化學嵌鋰電位，快充性能優(yōu)異，這正是便攜式電子產品、無人機、新能源汽車和儲能電池系統(tǒng)等一系列新技術領域發(fā)展的迫切需要。圖 2：商業(yè)化負極材料比電容對比新能源汽車市場與基礎設施月度監(jiān)測與分析，硅碳復合材料與硅氧復合材料是硅基負極的主要技術路線。目前，硅基材料的主要發(fā)展方向是硅碳復合材料與硅氧復合材料。硅碳復合材料是指納米硅與石墨材料混合，硅氧復合則是通過在高溫下氣象沉淀硅與二

4、氧化硅（SiO2），使硅納米顆粒（2~5nm）均勻分散在二氧化硅介質中制得氧化亞硅（SiO），再與碳復合制成。氧化硅材料既能發(fā)揮硅的高容量優(yōu)勢，又能夠抑制硅的體積變化。硅氧負極的綜合性能較好，是下一代高比能硅基負極材料的選擇。在硅氧負極中的 Li+在 SiO 中 具有更高的擴散速度，表現出更好的倍率性能；同時，嵌鋰過程中體積膨脹也顯著小于硅碳負極，循環(huán)壽命更長。近年來，硅氧負極的首次效率經過材料廠家的努力已經提升顯著，其更優(yōu)的綜合

5、 性能為未來硅基負極的發(fā)展指明方向。表 2：硅系負極材料比較類型 硅碳負極 硅氧負極理論克容量（mAh/g） 4200 2700體積膨脹 280% 160%循環(huán)壽命 較短 較長首次效率 較高 較低快充性能 較低 較高倍率性能 較高 較高安全性 較低 較高資料來源： 《Systematic electrochemical characterizations of Si and SiO anodes for highcapacity Li-

6、Ion batterie——Ke Pan》 ，圖 4：硅碳負極材料微觀結構 圖 5：硅氧負極材料微觀結構GGII， GGII，制備方法：機械球磨法較先應用，但尚未形成標準化方法。硅基負極生產技術可分成機械球磨法、化學氣相沉積法、高溫熱解法、溶膠凝膠法，其中機械球磨法對設備要求較為簡單，制造成本較 低，在工業(yè)化量產中應用較廣。球磨可以促進原料顆粒之間的均勻混合并獲得較小的粒徑，同時 顆粒之間空隙也有利于電池的循環(huán)性能的提高。表 3：主要硅