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    硅碳負極助力鋰離子電池能量密度提升

    專欄:行業資訊發布時間:2024-04-15作者:

    一、發展硅碳負極的必要性

    負極材料是鋰離子電池的重要組成部分,其性能直接影響電池的能量密度、循環壽命、安全性能等。鋰離子電池負極材料主要分為碳材料和非碳材料兩大類,具體分類如下:

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    其中,石墨負極占據主要地位,實際應用占比超過95%,但石墨的理論容量只有372mA/g,已經不能滿足高容量、高能量密度鋰離子電池發展需求,而硅碳負極材料鋰論能量密度(3572mA/g)遠高于石墨,被認為是新一代高能量密度鋰離子電池最具發展潛力的負極材料。隨著鋰離子電池產業化進程的不斷推進,硅碳負極材料作為一種新型的電池材料在能源領域嶄露頭角。

    二、硅碳負極材料的優缺點

    硅碳負極材料是近年才發展起來的一種新型鋰離子電池負極材料,它由硅基活性材料和碳基導電材料組成。硅基活性材料可以提供高容量和良好的能量密度,而碳基導電材料可以提供良好的導電性和熱穩定性。因此,硅碳復合負極材料具有良好的綜合性能,可以有效提高電池的能量密度和循環壽命。硅碳負極材料的主要優點包括:

    (1)高能量密度:硅碳負極材料具有較高的理論容量(3572mA/g)和實際容量(目前已達到1000mA/g以上),能夠提供更高的能量密度,滿足消費電子產品對更長續航能力的需求。

    (2)快速充電:由于硅碳材料具有快速的鋰離子嵌入/脫嵌速度,因此硅碳負極電池可以實現快速充電。

    (3)高安全性:硅碳負極材料具有較低的膨脹率和較好的結構穩定性,不易發生短路或燃燒等安全問題。

    (4)環境友好:硅碳負極材料是一種環保型材料,生產過程中不產生有害物質,同時在使用后也可以進行回收再利用,對環境的影響較小。

    硅碳負極材料的缺點包括:

    (1)體積膨脹:硅在嵌鋰過程中會發生體積膨脹,導致電池容量降低和結構破壞。

    (2)首次效率低:硅碳負極材料的首次充放電效率較低,會影響電池的能量效率。

    (3)成本較高:首先是納米硅顆粒價格不低,其次是生產工藝復雜。

    正因為硅碳負極材料具有以上優點,符合對更長續航能力和更高安全性能的需求。同時,硅碳負極也存在以上缺點需要進一步克服,所以,暫時還沒有得到大規模運用。

    三、硅碳負極材料的分類

    硅碳負極材料按結構類型主要分為包覆型硅碳負極、負載型硅碳負極、分散型硅碳負極,分別介紹如下:

    (1)包覆型硅碳負極

    包覆型硅碳負極材料往往是將不同納米結構的硅材料進行碳包覆,這類材料以硅為主體提供可逆容量,碳層主要作為緩沖層以減輕體積效應,同時增強導電性。包覆層通常為無定形碳。

    (2)負載型硅碳負極

    負載型硅碳負極材料通常是在不同結構的碳材料(如碳纖維、碳納米管、石墨烯等)表面或內部,負載或者嵌入硅薄膜、硅顆粒等,這類硅碳復合材料中,碳材料往往起到結構支撐的力學作用,它們良好的機械性能有利于硅在循環中的體積應力釋放,形成的導電網絡提高了電極整體的電子電導率。

    (3)分散型硅碳負極

    分散型硅碳負極材料是一種較為寬泛的復合材料體系,包括硅與不同材料的物理混合,也涵蓋硅碳元素形成分子接觸的高度均勻分散復合物體系。事實證明將硅材料均勻分散到碳緩沖基質中,可以一定程度抑制硅的體積膨脹。

    四、硅碳負極材料的制備方法

    硅碳負極材料的常見制備方法包括機械球磨法、固相反應法、溶膠凝膠法和化學氣相沉積法等。這些方法通過控制原料配比、反應條件等可以得到具有不同硅碳比例和結構形貌的材料。近年來,人們還提出了一些新的制備方法,如模板法、基于無機骨架的合成等,以提高硅碳負極材料的性能。

    五、硅碳負極材料的生產工藝

    硅碳負極材料生產工藝包括原料準備、碳化、燒結、碳化燒結等步驟。

    (1)原料準備:硅碳負極材料需要硅粉和碳粉兩種原料。硅粉需經過粉碎、篩選、純化等工序處理。碳粉需經過碳化、粉碎等工序處理。

    (2)碳化:將硅粉和碳粉按一定比例配制,加入適量的添加劑,在高溫下進行碳化反應。

    (3)燒結: 將碳化后的硅碳復合材料在高溫下進行燒結,使材料結晶,提高材料的密度和硬度。

    (4)碳化燒結:將燒結后的硅碳復合材料再次在高溫和高壓下進行碳化燒結,使材料具有更高的電導率和更好的電化學性能。

    (5)制品成型:將碳化燒結后的硅碳復合材料進行成型,制成各種形狀的硅碳負極材料。常見的成型方式有壓塊、針刺、擠壓等。

    (6)檢測質量:對制成的硅碳負極材料進行各項性能檢測,確保材料質量符合要求。

    (7)包裝存儲:將硅碳負極材料進行包裝,并存放在適當的環境中,以防止材料受潮、變質。

    總之,硅碳負極材料生產工藝是一個綜合性工藝,需要掌握多種技術知識,并經過多次試驗和優化才能獲得高質量的硅碳負極材料。

    六、影響硅碳負極材料性能的因素

    影響硅碳負極材料性能的因素包括以下幾個方面:

    (1)硅碳負極材料的結構:硅碳負極材料的結構對其性能有著重要的影響。在制備硅碳復合材料時,可以通過控制材料的形貌、尺寸和相組成等來優化其性能。例如,納米硅碳復合材料的性能優于微米級硅碳復合材料。

    中華人民共和國國家標準《GBT 38823-2020 硅炭》對硅碳負極材料粒度分布規定如下:

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    (2)硅碳負極材料的組成:硅碳負極材料中的硅和碳的種類、含量以及它們的比例也會影響其性能。硅碳負極材料主要包括硅-石墨復合材料、硅-無定型碳復合材料、硅-碳納米管復合材料、硅-石墨烯復合材料幾種,在合適的硅和碳比例下,硅碳負極材料可以獲得最佳的電化學性能。

    (3)硅碳復合材料的表面改性:表面改性可以改變硅碳復合材料的表面性質,提高其電化學性能和穩定性。常用的表面改性方法包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、溶膠-凝膠法等。

    (4)硅碳復合材料的制備方法:硅碳復合材料的制備方法對其性能也有影響。常用的制備方法包括化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、溶膠-凝膠法、球磨法等。不同的制備方法會對硅碳復合材料的結構、形貌和尺寸產生影響,從而影響其性能。

    (5)電解質的性質:電解質的性質也會影響硅碳材料性能,比如電解質的離子電導率、電化學穩定性以及與電極材料的相容性等都會對電池性能產生影響。

    綜上所述,為了獲得高性能的硅碳材料,需要綜合考慮以上因素,并采取合適的制備方法和表面改性手段來優化其結構和組成。

    七、硅碳負極材料的應用領域

    (1)電動汽車領域:硅碳負極材料能夠提供更高的電池能量密度和更長的使用壽命,使得電動汽車能夠擁有更長的續航里程和更快的充電速度。同時,硅碳負極材料的安全性和環保性也使得電動汽車在市場上更具競爭力。

    (2)儲能領域:硅碳負極材料能夠提供高能量密度和長壽命的儲能電池,為電力、通信等領域提供可靠的儲能解決方案。同時,硅碳負極材料的環保性和安全性也使得儲能技術在可持續發展的趨勢下得到廣泛應用。

    (3)航空航天領域:硅碳負極材料具有高能量密度、長壽命和安全可靠等優勢,能夠為航空航天領域的能源需求提供可靠的解決方案。例如,在衛星、無人機等領域,硅碳負極材料能夠提供更輕、更可靠的能源系統。

    總之,硅碳負極材料作為一種新型的電池材料,具有高能量密度、快充性能、環保和安全可靠等優勢,逐漸在能源領域得到廣泛應用。

    八、硅碳負極材料的產業化狀況

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    2023年,硅碳產業取得了群體性突破,多家負極材料頭部企業表示硅基材料的膨脹問題得到有效解決,硅碳產品的膨脹性能明顯優于硅氧產品,膨脹問題不再是硅基負極材料商用化的瓶頸。

    公開資料顯示,貝特瑞、欣旺達、天目先導、華智雄材、安徽昱瓴、石大勝華、杰瑞股份、中科電氣、新安股份、璞泰來、碳峰科技等企業已經量產硅碳復合負極材料,部分企業正在建設規?;瘶藴十a線。

    我們相信,隨著特斯拉、蔚來、廣汽埃安等車企硅碳負極電池裝車,以及華為、小米等手機廠家嘗鮮,硅碳負極材料產業會很快進入快速增長軌道。

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