硅碳vs硅氧，硅基負極哪個更有前途？

硅基負極作為下一代新能源車動力電池能量密度提升的關鍵材料，一直是研發和關注的焦點。由于硅材料容易膨脹，巨大的體積變化會引起硅顆粒的破碎分化，從而影響電池的首效和壽命。為了緩解膨脹，商業化應用時大多會選擇將石墨材料和硅材料復合。硅材料分為納米硅和氧化亞硅，對應硅基負極兩條路線：硅碳負極和硅氧負極。

硅碳負極

硅碳負極采用納米硅和石墨材料混合，通過降低硅基材料粒徑至納米級別，可以擁有較小的顆粒尺寸和更多的空隙，更容易緩沖硅在脫嵌鋰離子過程中產生的應力和形變。此外，納米顆粒可以縮短鋰離子擴散距離，增加硅材料儲鋰能力。

硅碳負極制備流程（中金公司）

硅碳負極生產工藝核心難點在于納米硅粉的制備。研究發現，單個硅納米粒子的鋰化，發現存在一個約150nm的臨界粒徑，低于該臨界粒徑時，顆粒在第一次鋰化時不會破裂，所以降低硅材料粒徑是減少粉化的有效途徑。

常見的納米硅的生產工藝有鎂熱還原法、硅烷熱解法、放電等離子法和機械研磨法。國內納米硅粉的制備主要以機械研磨法為主，美國、日本等國家的企業對納米硅粉的研究起步較早，日本帝人，美國杜邦等企業均可以用等離子蒸發冷凝法進行納米硅粉的制備，目前國內等離子體法進展較快的企業為博遷新材，目前已經處于中試階段。

硅氧負極

硅氧負極采用氧化亞硅（SiOx）和石墨材料混合，相比于硅材料，氧化亞硅材料在嵌鋰過程中的體積膨脹大大減小，因此循環性能也得到了極大的提升。

硅氧負極制備流程（中金公司）

硅氧負極的核心是制備SiOx。大部分的企業是將純硅和SiO2合成SiOx，形成硅氧負極前驅體，然后經粉碎、分級、表面處理、燒結、篩分、除磁等工序制備而成。

哪個更有前途

目前商業化硅碳負極容量在450mAh/g以下，一般用于消費電池。但硅碳負極的體積膨脹嚴重，導致循環性能較差，一般在500-600周，達不到國際規定動力電池循環1000周的標準。一般從２個方面對其進行材料改性：一方面是對硅單質體系的改性，如使用納米硅和硅薄膜等；另一方面是對碳／硅基復合材料的結構改性，如核－殼結構、多孔結構等。

目前商業化硅氧負極應用容量主要在450-500mAh/g，既可用于消費也可用于動力。但SiOx材料目前主要存在兩個問題：首次庫侖效率低和循環性能的衰減。前者目前較為實際的解決辦法主要是通過向添加少量的Li源，在充電的過程中利用這部分額外的Li補充首次充電過程中不可逆的Li消耗，以達到提升鋰離子電池首次效率的目的；后者主要是通過碳包覆與SiOx納米化來緩沖體積膨脹，提升循環穩定性。

綜合來看，兩個材料都很有前途。就目前而言，硅氧負極比容量高，作為電池性能比較適中；但隨著硅碳負極的研究深入，如果其循環壽命能達到1000圈，加上首效強的優點，也會很有前景。

參考文獻：

1、邱治文等，《Si基鋰離子電池負極材料研究進展》

2、譙渭川等，《硅氧材料的膨脹性能研究和改善》

3、王毅杰等，《機械法原位包覆制備納米硅及其電性能研究》

4、祝鵬浩等，《鋰／硅電池抑制硅基電極體積膨脹的方法》

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