硅是(shi)目前人類至今為(wei)止發現(xian)的比容量(liang)(4200mAh/g)最高的鋰(li)離子電池(chi)負極材料(liao),是(shi)一種(zhong)最有潛力的負極材料(liao)，但硅作為(wei)鋰(li)電池(chi)負極應用也有一些瓶頸，第一個(ge)問(wen)題是(shi)硅在反應中會出現(xian)體積膨脹的問(wen)題。

　　解(jie)析鋰電池負(fu)極材(cai)料未來的發展方向

　　硅是目前人(ren)類至今為止發現的(de)(de)比(bi)容量(liang)(4200mAh/g)最高的(de)(de)鋰離子電(dian)(dian)池負(fu)(fu)極材料,是一(yi)種最有潛(qian)力的(de)(de)負(fu)(fu)極材料，但硅作為鋰電(dian)(dian)池負(fu)(fu)極應用也(ye)有一(yi)些瓶頸(jing)，第一(yi)個(ge)問題(ti)是硅在反應中會出現體積膨(peng)脹的(de)(de)問題(ti)。

　　通(tong)過理論計算和(he)實驗可以(yi)證(zheng)(zheng)明(ming)(ming)嵌鋰(li)和(he)脫(tuo)鋰(li)都(dou)會(hui)(hui)引起體(ti)(ti)積變化，這(zhe)個(ge)體(ti)(ti)積變化是320%。所以(yi)不論做成什么(me)樣(yang)的(de)材料(liao)，微觀(guan)上，在(zai)硅的(de)原子尺度或者納米(mi)尺度，它(ta)的(de)膨脹是300%。在(zai)材料(liao)設計時必需要考慮大(da)的(de)體(ti)(ti)積變化問題(ti)(ti)。高體(ti)(ti)積容量的(de)材料(liao)在(zai)局部會(hui)(hui)產生力學上的(de)問題(ti)(ti)，通(tong)過一系列的(de)基礎研(yan)究證(zheng)(zheng)明(ming)(ming)，它(ta)會(hui)(hui)裂開(kai)，形(xing)成嚴重的(de)脫(tuo)落(luo)。

　　硅(gui)體積膨脹會(hui)導致一(yi)系列結果：

　　1.顆(ke)粒粉化，循(xun)環性(xing)能(neng)差

　　2.活性物質與導電劑(ji)粘結劑(ji)接觸(chu)差(cha)

　　第二個問題就是(shi)在(zai)硅表面的(de)SEI膜是(shi)比較厚且不均勻(yun)的(de)，受(shou)溫度和(he)添加劑的(de)影響很大，會影響鋰離(li)子電(dian)池中(zhong)整個比能量的(de)發揮。

　　石墨(mo)表(biao)面(mian)因為(wei)導電(dian)性特別好，相(xiang)對來說SEI膜比較均勻(yun)，它的(de)組成跟硅(gui)(gui)負極不一樣。為(wei)了研究這個(ge)問題，中(zhong)(zhong)科院相(xiang)關科學家做了模型(xing)材料，通過微加(jia)(jia)工(gong)做成硅(gui)(gui)納米柱。觀察這種材料在(zai)充放電(dian)過程中(zhong)(zhong)SEI膜的(de)生長，我們發(fa)現(xian)隨著循環次數的(de)增加(jia)(jia)，SEI膜逐漸(jian)把(ba)硅(gui)(gui)柱中(zhong)(zhong)間的(de)空隙填上，覆蓋完后還會(hui)繼續生長大概4.5μm，在(zai)硅(gui)(gui)表(biao)面(mian)如果不加(jia)(jia)任何(he)處理，SEI膜可以長得很厚。

　　這說明它是多孔的(de)，溶劑始終能(neng)夠(gou)接觸到(dao)(dao)浸到(dao)(dao)硅(gui)的(de)表(biao)面，這樣在(zai)全電池設計時是不行的(de)。怎么樣解決這個問題，中科(ke)院科(ke)相關學(xue)家做了(le)一(yi)些嘗試在(zai)硅(gui)上做了(le)碳包(bao)(bao)覆(fu)，為了(le)做對(dui)比，我們硅(gui)上只做了(le)部(bu)分的(de)石墨烯包(bao)(bao)覆(fu)，其(qi)他地方(fang)空出(chu)來。最終看到(dao)(dao)包(bao)(bao)覆(fu)和(he)不包(bao)(bao)覆(fu)SEI膜的(de)生(sheng)長情況不一(yi)樣，碳包(bao)(bao)覆(fu)的(de)SEI膜就(jiu)明顯減少，沒(mei)有包(bao)(bao)覆(fu)的(de)SEI膜就(jiu)有很多。

　　從長期的基礎研究(jiu)來看，

　　①通過硅粉納米(mi)化;

　　②硅碳包(bao)覆(fu);等(deng)技術手段可以(yi)有效解決硅在鋰(li)電(dian)池負(fu)極(ji)應用中(zhong)遇到的問(wen)題。無論是納米硅碳還(huan)是氧化亞硅碳，硅力求做到以(yi)下幾點(dian)：

　　硅(gui)粒徑：<20nm(理論上越(yue)小越(yue)好(hao));均勻度(du)：標準(zhun)偏差小于(yu)5nm;純度(du)：>99.95%;形貌：100%球形率。

　　另外，完整(zheng)的(de)(de)(de)表(biao)面包覆非常(chang)重要(yao)(yao)，防(fang)止(zhi)硅和電解液接觸，產(chan)生厚的(de)(de)(de)SEI膜的(de)(de)(de)消(xiao)耗。微觀(guan)結(jie)構的(de)(de)(de)設計也很(hen)重要(yao)(yao)，要(yao)(yao)來維持在循環過程中(zhong)電子的(de)(de)(de)接觸，離子的(de)(de)(de)通(tong)道，體積的(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)。

　　碳包覆機(ji)理(li)在于：Si的體(ti)積膨脹由(you)石墨(mo)和無定形包覆層共同(tong)承(cheng)擔(dan)，避(bi)免負極材料(liao)在嵌脫鋰過程因巨大(da)的體(ti)積變化(hua)和應力而粉化(hua)。碳包覆的作用是：

　　(1)約(yue)束和(he)緩沖活性中心(xin)的體積膨脹(zhang)

　　(2)阻止(zhi)納米活性粒子的團聚(ju)

　　(3)阻止(zhi)電解液向中心滲透，保持(chi)穩定的(de)界面和SEI

　　(4)硅材料貢獻高(gao)比容量，碳材料貢獻高(gao)導電性

　　硅(gui)碳(tan)負極具有非常廣闊的市場空間

　　負極材(cai)料技術相對比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)成熟，且其集中度較(jiao)(jiao)(jiao)高，產(chan)能由(you)日(ri)本向中國(guo)轉移(yi)比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)明顯。目前負極材(cai)料以碳素材(cai)料為主，占鋰電池(chi)成本較(jiao)(jiao)(jiao)低，在國(guo)內(nei)基本全面(mian)實(shi)現(xian)產(chan)業化(hua)。從區(qu)域看，中國(guo)和日(ri)本是(shi)全球主要的(de)產(chan)銷國(guo)，動力(li)電池(chi)企(qi)業采(cai)購負極主要來(lai)自于日(ri)本企(qi)業。

　　2015年(nian)，全(quan)球負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)材料(liao)總(zong)體出貨(huo)量(liang)為11.08萬(wan)噸，同比(bi)增(zeng)長29.59%。其中(zhong)中(zhong)國負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)材料(liao)的出貨(huo)量(liang)達到(dao)7.28萬(wan)噸，同比(bi)增(zeng)長41.1%，占(zhan)比(bi)高達66%。近幾年(nian)，隨著(zhu)中(zhong)國生產(chan)技(ji)術(shu)的不(bu)斷(duan)提高，中(zhong)國又是負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)材料(liao)原料(liao)的主要產(chan)地，鋰電負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)產(chan)業不(bu)斷(duan)向中(zhong)國轉移(yi)，市(shi)場占(zhan)有率不(bu)斷(duan)提高。

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