浅析硅碳负极材料在锂离子电池中的应用

锂离子电池因其优异的性能已经在便携式消费电子、电动工具、医疗电子等领域获得了广泛应用。同时，在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域也显示了良好的应用前景。

现在商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料。但是，近年来各个领域对电池能量密度的需求飞速提高，迫切需要开发出更高能量密度的锂离子电池。所以开发更高能量密度的负极材料迫在眉睫。

▍为什么要用硅碳作为负极材料？

碳和硅材料的性能

从上表可以看出硅材料的质量比容量最高可达4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于负极材料理论比容最高的材料。并且硅材料环境友好、储量丰富、成本较低。但是硅负极材料存在的问题有循环寿命低、体积变化大、持续产生SEI膜，而硅碳负极材料可以有效改善这些问题，所以硅碳负极材料是未来负极材料的发展重点无疑。

▍硅碳材料是如何复合的？

硅碳负极材料按结构类型主要分为：

1.包覆型硅碳负极

包覆型硅碳负极材料往往是将不同纳米结构的硅材料进行碳包覆，这类材料以硅为主体提供可逆容量，碳层主要作为缓冲层以减轻体积效应，同时增强导电性。碳包覆层通常为无定形碳。

2.负载型硅碳负极

负载型负极材料通常是在不同结构的碳材料(如碳纤维、碳纳米管、石墨烯等)表面或内部，负载或者嵌入硅薄膜、硅颗粒等，这类硅碳复合材料中，碳材料往往起到结构支撑的力学作用，它们良好的机械性能有利于硅在循环中的体积应力释放，形成的导电网络提高了电极整体的电子电导率。

3.分散型硅碳负极

分散型硅碳负极材料是一种较为宽泛的复合材料体系，包括硅与不同材料的物理混合，也涵盖硅碳元素形成分子接触的高度均勻分散复合物体系。事实证明将硅材料均匀分散到碳缓冲基质中，可以一定程度抑制硅的体积膨胀。

▍硅碳负极材料的研究难点是？

体积膨胀导致的循环寿命、安全问题，为了解决这些问题又会产生新的关于制备、成本的问题。

在充放电过程中，硅的体积会膨胀100%-300%，不断的收缩膨胀会造成硅碳负极材料的粉末化，严重影响电池寿命。硅的膨胀会在电池内部去产生巨大的应力，这种应力会对极片造成挤压，从而出现极片断裂；还会造成电池内部孔隙率降低，促使金属锂析出，影响电池的安全性。

解决体积膨胀的问题可以通过控制碳材料中硅的含量、减小硅体积到纳米级；或改变石墨质地、形态，实现碳和硅的最佳匹配；或者采用其他物质对硅进行包覆，促进膨胀后的复原；还可以采用更适宜的电极材料等一系列方法来减少硅膨胀带来的诸多问题。

实践证实，要想取得比较理想的电化学性能，复合材料中的硅颗粒粒径不能超过200-300nm。但是在比表面、粒径分布、杂质以及表面钝化层厚度等关键指标技术壁垒都很高，国内厂家目前还达不到，而外购纳米硅粉成本极高。

▍硅碳负极材料发展到什么程度了？

国外部分企业已经实现了硅碳负极材料的量产。

国内企业在硅碳负极产业化方面动作相对慢一点。杉杉股份、江西紫宸、深圳贝特瑞等早已布局硅碳负极材料的生产，目前已推出几款硅碳负极材料，且具有一定产能，CATL、比亚迪、国轩高科、力神、比克、星城石墨、万向A123、微宏动力等企业硅碳负极的产业化应用也都在推进中。

目前硅碳负极材料的总产量尚不足锂电负极材料的1%，不过随着各大负极企业的扩产和新企业的崛起，预计硅碳材料在2018年底会正式大批量进入市场。尽管目前对于硅颗粒嵌锂膨胀、SEI膜不断破裂生长消耗锂源和电解液等问题还没有非常完美的解决方法，然而经过国内外各大企业和科研院所的多年努力，部分纳米硅碳负极材料已得到电芯企业的认可。