硅碳正極材料是鋰電池正極材料的發(fā)展趨勢(shì)嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-11-17 22:22
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鋰電池廠家預(yù)測(cè)，硅碳正極材料是鋰電池正極材料的發(fā)展重點(diǎn)
硅基負(fù)極材料由于具有較高的理論儲(chǔ)存容量，將取代傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料，成為下一代鋰離子電池最有前途的負(fù)極材料之一。但硅作為負(fù)極材料，體積膨脹率高，電導(dǎo)率低，電解液分解產(chǎn)生高頻腐蝕，限制了其在商業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展。
碳具有穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性好、價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但其理論存儲(chǔ)容量較低，僅為硅的1/10左右。為了解決鋰離子電池用硅材料的問(wèn)題，目前主要采用硅碳復(fù)合的方法來(lái)制備儲(chǔ)能高、導(dǎo)電性好、循環(huán)性能好的硅碳復(fù)合負(fù)極材料。
目前，硅碳正極材料的總產(chǎn)量還不到鋰正極材料的1%。但隨著鋰電池廠商的擴(kuò)張和新企業(yè)的崛起，預(yù)計(jì)硅碳材料將在近年來(lái)正式大量進(jìn)入市場(chǎng)。
硅是發(fā)現(xiàn)迄今為止最高的鋰離子電池陰極材料,負(fù)極材料是最具潛力之一,硅材料的理論比容量高,硅碳符合能量密度可以增加了逾200%,后不僅可以滿足便攜式電源容量的要求,也能滿足鋰離子電池的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的高功率需求。
硅碳正極材料研究的難點(diǎn)
為了解決體積膨脹帶來(lái)的循環(huán)壽命和安全問(wèn)題，將會(huì)出現(xiàn)新的準(zhǔn)備和成本問(wèn)題。硅是一種半導(dǎo)體，它的導(dǎo)電性比石墨差很多，導(dǎo)致鋰離子去除過(guò)程中不可逆性很高，從而降低了它的第一庫(kù)侖效率。其直接影響也使鋰電池的循環(huán)壽命變差。因此，硅碳負(fù)極的應(yīng)用需要更高的技術(shù)壁壘。
在充放電過(guò)程中，硅的體積會(huì)膨脹100%-300%。連續(xù)的收縮和膨脹會(huì)導(dǎo)致硅碳正極材料的粉化，嚴(yán)重影響電池的使用壽命。硅的膨脹會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力。這種應(yīng)力會(huì)擠壓極板，導(dǎo)致極板斷裂。此外，電池內(nèi)部的孔隙率會(huì)降低，導(dǎo)致鋰金屬沉淀，影響電池的安全性。
為了解決體積膨脹問(wèn)題，可以控制碳材料中硅的含量，將硅的體積降低到納米級(jí)?；蚋淖兪募y理、形狀，以達(dá)到碳與硅的最佳匹配;或用其他材料涂覆硅層，促進(jìn)膨脹后的回收;采用合適的電極材料等一系列方法可以減少硅膨脹帶來(lái)的問(wèn)題。
雖然沒(méi)有完美的解決問(wèn)題,如硅粒子嵌入鋰的擴(kuò)張,SEI膜的連續(xù)破裂和增長(zhǎng)消費(fèi)鋰源和電解質(zhì),一些納米硅碳負(fù)極材料已被核心企業(yè)經(jīng)過(guò)多年的努力,主要的國(guó)內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，但技術(shù)進(jìn)步十分明顯，其硅碳負(fù)極的研發(fā)和生產(chǎn)已處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。預(yù)計(jì)到2020年，硅碳負(fù)極材料的市場(chǎng)空間將達(dá)到50億左右，市場(chǎng)集中度將非常高。
硅碳正極作為一種新型的鋰離子電池負(fù)極材料，在提高電池的能量密度方面比目前的石墨負(fù)極更有效。但由于其應(yīng)用壁壘較高，在我國(guó)還處于工業(yè)化的初期階段。
在國(guó)外，松下實(shí)現(xiàn)了含硅碳負(fù)極材料的18650電池的量產(chǎn)，特斯拉將硅碳負(fù)極材料應(yīng)用于汽車動(dòng)力電池。硅碳負(fù)極材料的應(yīng)用前景越來(lái)越光明，未來(lái)硅碳負(fù)極材料有可能成為負(fù)極材料領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。
