硅材料因儲(chǔ)量豐富，而當(dāng)Si與Li形成Li4.4Si結(jié)構(gòu)時(shí)，理論比容量可以達(dá)到4200mAh/g，比目前再鋰電池中廣泛使用的石墨能吸收近十倍的鋰離子，因此被認(rèn)為具有制造大容量電池的前景。當(dāng)然如此高的容量還沒能實(shí)際應(yīng)用在電池上有其缺陷，充電狀態(tài)的Si負(fù)極體積膨脹可以達(dá)到原體積的3倍，這成為了阻攔在Si負(fù)極應(yīng)用路上最大的障礙。
據(jù)了解，目前硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，主要涉及兩方面，一是在負(fù)極材料中加入納米硅，形成硅碳負(fù)極;二是在電解液中加入有機(jī)硅化合物，改善電解液的性質(zhì)，目前常見在科技雜志上的主要是集中在硅負(fù)極材料。
阿爾伯塔大學(xué)創(chuàng)建新一代硅基鋰電池
近日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)家布里亞克(JillianBuriak)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)將硅塑造成納米級(jí)的顆粒有助于防止它破裂。
納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點(diǎn)，且無毒、無味。納米硅的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：除了可用于制造耐高溫涂層和耐火材料，與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復(fù)合材料，用做切削刀具外，還可以與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料，作為鋰離子電池的負(fù)極材料，大幅提高鋰離子電池的容量;可與有機(jī)物反應(yīng)，作為有機(jī)硅高分子材料的原料。
該團(tuán)隊(duì)研究測(cè)試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，確定多大的尺寸才能最大限度地發(fā)揮硅的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)最大限度地減少其缺點(diǎn)。它們均勻分布在由具有納米孔徑的碳制成的高導(dǎo)電性石墨烯氣凝膠中，以彌補(bǔ)硅的低導(dǎo)電性。
他們發(fā)現(xiàn)，最小的顆粒(直徑僅為30億分之一米)在多次充放電循環(huán)后表現(xiàn)出最佳的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍，朝著制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關(guān)鍵的一步。此項(xiàng)研究成果發(fā)表在《材料化學(xué)》雜志上。
這項(xiàng)研究有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，可以使其行駛里程更遠(yuǎn)，充電速度更快，電池重量更輕。下一步是開發(fā)一種更快、更便宜的方法來制造硅納米顆粒，使其更容易運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)上。
鋰電產(chǎn)業(yè)鏈布局百億硅負(fù)極市場(chǎng)
除了科研機(jī)構(gòu)外，在政策的鼓勵(lì)和引導(dǎo)下，也有不少企業(yè)對(duì)硅基負(fù)極材料進(jìn)行了研發(fā)儲(chǔ)備。
國(guó)家工信部等四部委發(fā)布的《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》中提出，到2020年我國(guó)新型鋰離子動(dòng)力電池單體比能量超300Wh/kg，到2025年單體比能量達(dá)500Wh/kg。
而傳統(tǒng)的石墨材料負(fù)極已接近天花板，因此，要發(fā)展高能量密度，正極采用高鎳三元材料，而負(fù)極使用硅碳負(fù)極材料將成為動(dòng)力電池市場(chǎng)的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2018年國(guó)內(nèi)硅碳復(fù)合材料用量在2500噸左右，同比增長(zhǎng)約一倍。據(jù)預(yù)測(cè)，2025年國(guó)內(nèi)硅碳負(fù)極材料市場(chǎng)空間將達(dá)百億。
2018年，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，力神電池項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在NCA正極材料研究基礎(chǔ)上，研制出容量高、循環(huán)穩(wěn)定性的硅碳負(fù)極材料，并開發(fā)出單體比能量達(dá)303Wh/Kg的電芯。今年1月，國(guó)軒高科在投資者交流互動(dòng)平臺(tái)表示，其制備的高鎳NCM811三元軟包樣品已于近期通過科技部的中期檢查，能量密度達(dá)302Wh/kg，負(fù)極采用硅碳材料。在前不久，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽明高介紹，寧德時(shí)代開發(fā)的高鎳三元正極和硅碳負(fù)極電池的比能量已經(jīng)達(dá)到304Wh/kg，今年將投放市場(chǎng)。
此外，比克動(dòng)力、微宏動(dòng)力、萬向A123等電池企業(yè)正在加快硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。貝特瑞的碳硅負(fù)極，打入了特斯拉的供應(yīng)鏈，為松下的動(dòng)力電池電芯配套部分負(fù)極材料;杉杉股份、江西紫宸等具備了小量試產(chǎn)能力……國(guó)內(nèi)鋰電產(chǎn)業(yè)鏈也在積極布局含硅負(fù)極材料。
事實(shí)上，從能量密度來看，300Wh/kg左右的能量密度只發(fā)揮了硅基材料很小的作用，而且國(guó)內(nèi)進(jìn)入硅負(fù)極材料的研發(fā)領(lǐng)域稍落后于國(guó)外。
硅碳材料早先是在日韓企業(yè)中應(yīng)用較多，松下和三星的產(chǎn)品都有成熟應(yīng)用。據(jù)悉，日本松下目前已實(shí)現(xiàn)硅碳負(fù)極材料的電池量產(chǎn);日本湯淺電池、日立麥克賽爾、日本三井金屬等企業(yè)也已有成熟的電池方案……
