鉅大LARGE | 點擊量：1621次 | 2019年03月15日
新型硅負極材料能否給鋰電池帶來革命性的技術進步
早先我們對特斯拉最新款Model3所采用的100Wh電池系統分析，認為特斯拉所使用高容量鋰電池通過在負極材料中添加硅材料來提升電池的能量比，可見硅材料對于提升鋰電池容量的可行性已經得到進一步的驗證。
事實上，新型添硅石墨負極材料是目前唯一實現了商業化應用的新型負極材料，純硅負極材料在完全充電的狀態下比容量可以達到4200mAh/g，遠高于傳統的石墨負極材料。但是硅負極材料在鋰離子嵌入后，會引發硅負極材料晶格發生嚴重的膨脹，最高可達到300%，這會導致硅負極粉化、脫落，鋰電池的容量嚴重衰減，電池結構遭到破壞。
科技研發人員為了克服硅負極材料的膨脹問題，通過制備硅納米級顆粒、石墨包覆納米顆粒、氧化亞硅納米顆粒材料來嘗試解決硅負極材料充電后的膨脹問題。
雖然目前所采取的這樣一系列技術改性措施，取得了很大技術突破，但卻不能徹底解決硅負極材料膨脹對電池產生的破壞性問題。因此在實際的應用中，通常是將硅材料與石墨材料混合使用，利用石墨材料來吸收硅負極顆粒的膨脹，減少電極粉化、脫落，提高電池的循環壽命。
據悉加拿大達爾豪斯大學化學系的LeyiZhao等人利用鋰硅合金脫鋰工藝合成了一種具有層狀結構的無定形硅負極材料。在循環過程中，該材料嵌鋰和脫鋰時的材料體積膨脹明顯小于普通的硅負極材料，因此材料的循環性能也得到了顯著的提升。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
硅鋰結構
他們利用硅化鋰在酒精中脫鋰，合成了具有層狀結構的無定形硅負極材料。合成過程如下：首先在Ar氣流保護下，利用電弧融化Si和Li，形成鋰硅合金，冷卻后研磨成為粉末，取1g加入三頸瓶，利用Ar氣流保護，并采用磁力攪拌，最后加入酒精或者異丙醇，并進行持續攪拌。需要注意的是當使用異丙醇作為反應劑時，反應較慢，需要采用油浴加熱，而采用酒精則反應迅速，不需要采用加熱措施。反應后的Si負極材料經過去離子水和HCl洗滌后，在120℃下干燥后就可以獲得最終產品。
對材料的結構研究后發現，化學配比為Li12Si7，Li7Si3和Li13Si4的鋰硅合金經過脫鋰形成了層狀結構的產物，而化學配比為Li22Si5的材料則沒有形成層狀結構的產物。
硅負極循環數據
相比于晶體硅材料，具有層狀結構的無定形硅負極材料的循環性能得到了極大的提升，循環50次容量仍然能夠保持在2000mAh/g以上。為了解釋層狀無定形硅材料優異的循環性能，研究人員對完全充電的狀態的晶體硅材料和層狀無定形硅材料的體積膨脹做了測量，發現晶體硅材料在完全充電狀態下體積膨脹高達241%左右，而層狀無定形硅材料的體積膨脹僅有135%左右，這主要得益于層狀結構之間存在較大的空間，能夠吸收硅在嵌鋰時發生的體積膨脹影響。
但是由于該材料具有層狀結構，因此使得其在層之間的空間較大，約占整個材料體積的70%左右，因此導致該材料的體積能量密度較低(704Wh/L)，甚至低于鈷酸鋰與石墨電池(726Wh/L)。
無定形硅材料的循環性能要明顯好于晶體硅材料，特別是當無定形硅材料具有層狀結構時，層狀結構之間的空間，吸收了硅材料在嵌鋰時的體積膨脹，減少了材料顆粒的膨脹，提升了循環性能，但是這也造成了材料的振實密度較低，使得使用該材料的電池體積能量密度較低。
看來這項最新研究技術具有很好的實用意義，對于提升鋰電池的容量給研發人員帶來方向，力朗電池電芯研發部門也早有在新材料體系的研發部署，并已取得階段性成果。
