硅碳负极和锂金属负极成为业内商业化应用研发的重点对象

摘要

目前，包括宁德时代、比亚迪、国轩高科、万向一二三等电池企业都在探索预锂化技术。

在下一代高比能锂离子电池开发中，硅碳负极和锂金属负极成为业内商业化应用研发的重点对象。

现阶段商业化石墨负极材料已经接近其理论比容量极限（372mAh/g），而硅理论比容量高达4200mAh/g，这意味着硅基材料商业化前景广阔。

目前，特斯拉Model 3使用的2170电池已经采用了硅碳的技术路线，在传统的石墨负极材料中加入了10%的硅，使其比能量可达到300wh/kg。

因此目前主流电池企业和材料企业都将硅负极作为未来的主要研究课题。

然而，由于硅在充放电过程中会发生剧烈的体积收缩，体积的剧烈变化会导致内部机械机构失效，从而使得硅负极的循环寿命难达预期，因此尚未在锂电池中大规模应用。

高工锂电获悉，硅基负极改性主要包括纳米化、氧化亚硅及碳包覆等三种手段形成硅碳复合材料，以此减小体积效应对硅颗粒及SEI膜破坏。

目前，业内也有一些电池企业、材料企业和科研院所在进行研究，改进硅基材料的性能。

目前全球针对硅基负极材料的专利数量已经逾万，其中LG化学、三星、信越、村田、丰田、三菱、日立化成等日韩巨头是主要的硅基负极材料技术专利申请单位。

在材料层面，包括贝特瑞、江西紫宸、中科星城、甚至斯诺、杉杉科技、正拓能源等企业都在积极推进硅碳负极的产业化。

在技术层面，为了减缓电池容量的衰减，补锂技术成为了业内有效缓减高容量碳材料、合金负极以及转换材料的首次不可逆损失的有效手段。

目前，包括宁德时代、比亚迪、国轩高科、万向一二三等电池企业都在探索预锂化技术。

除了硅碳负极之外，锂金属负极也得到了业内的极大关注。

与硅负极相比，锂金属负极的容量为3860 mAh/g，并且具有优异的导电性，是一种理想的负极材料。

但是金属锂负极在充放电过程中会产生锂枝晶，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率。甚至还会刺穿隔膜导致电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。

为了克服这一障碍并将下一代电池推向市场，业内也在积极探索，主要通过材料改进优化提升材料性能。

日前，SKI宣布公司将与2019年诺贝尔化学奖得主、被称为“锂离子电池之父”的JohnB.Goodenough教授合作研发锂金属电池。双方计划开发一种新的凝胶聚合物电解质系统，该系统将均匀地输送锂离子，同时过滤行驶中不需要的离子，并最终抑制树突生长。

麻省固能（SES）建立了一整套的解决方式，包括锂金属负极材料、高浓度锂盐电解质材料。同时，SES通过硬件（材料和电芯设计）和软件（锂金属电池管理系统）的结合，极大程度降低了锂枝晶导致的安全问题。

总体来看，业内都在进行硅碳负极和锂金属负极的产业化研究，通过各种方式制备原材料，克服其目前存在的问题。

在此背景下，2020先进电池材料集群产业发展论坛将于8月26-27日在深圳机场凯悦酒店举行，此次会议由深圳先进电池材料产业集群主办，深圳市清新电源研究院、高工锂电、高工氢电联合承办。

届时，哈尔滨工业大学（深圳） 慈立杰教授将做题为“高能量密度锂离子电池硅碳和锂金属负极材料设计及制备研究”的演讲，分享硅碳负极和锂金属负极的前沿信息。

慈立杰教授目前主要研究方向为锂离子电池、锂空气电池；全固态电池；硅碳负极、金属锂负极保护、新型固态电解质材料、电化学催化剂材料的制备与应用等。