低成本高性能鋰電池硅碳負極材料

鋰離子電池負極材料將向高比容量、高充放電效率、高循環性能和低成本的方向發展，石墨材料將無法滿足未來鋰離子電池在電動汽車行業和儲能領域的高比容量需求，N. Nitta等歸納了目前已證明的具有載鋰能力的元素及比容量，其中，元素 Si 備受青睞。C.J. Wen等發現，Si和Li在415℃條件下，可生成Li₁₂Si₇、Li₇Si₃、Li₁₃Si₄和Li₂₂Si₅等中間化合物相。Si的理論比容量最高可達4200mAh/g（對應Li₂₂Si₅），是石墨材料的10倍多。此外，Si的嵌鋰電位高于石墨，地殼中含量豐富、成本低、無毒，且化學性質穩定，是一種理想的鋰離子電池負極材料，應用前景良好。

硅的嵌鋰電位約為<0.5V（vs. Li/Li⁺），在充放電過程中硅表面不容易析鋰，從而提高電池的安全性，隨著用戶對鋰電池高容量、高倍率等性能要求逐步提高，硅基負極增長確定性強，未來幾年將替代部分天然石墨市場份額。但是，硅嵌鋰產生巨大體積膨脹、硅導電性差、鋰離子遷移率低等瓶頸嚴重阻礙了硅作為鋰電池負極的推廣應用。

眾多科研人員對如何解決硅基負極最嚴重的缺陷，即循環過程中體積膨脹的問題展開了研究和探討。

Si作為負極材料在循環過程中與Li之間形成合金，在這個過程中，Si-Si鍵變為Li-Si鍵，在去合金化過程中又重新回到Si-Si鍵，Si-Si鍵的鍵長遠小于Li-Si鍵的鍵長，因此在多次循環充放電過程中，不斷發生兩種鍵長的周期性變化，從而使其體積膨脹、收縮現象循環往復。 

為了解決上述問題和挑戰，使硅基負極材料獲得良好的儲鋰性能，科研人員提出了各種方法和思路，主要有以下兩種方法： 

1、硅顆粒納米化

納米級別的硅作為負極比大顆粒的硅作為負極更耐斷裂。一般來說，在變形的過程中，較小的硅納米顆粒在內部積蓄的應力不足以產生裂紋，即裂紋增長需要的應力大于納米硅顆粒體積變化產生的應力。因此，對硅顆粒進行結構設計，如納米顆粒、納米片和納米多孔結構，被認為是一種緩解硅負極巨大體積膨脹的有效方法。

2、硅與碳材料復合 

研究人員開發出了各種碳材料和Si的復合材料，碳材料具有良好的導電性，能夠彌補硅獨立作為電極活性物質時導電性不佳的缺陷；同時碳材料對硅進行包覆，有效緩解了硅膨脹的問題；在碳層上形成穩定而較薄的SEI膜，可以改善硅電極SEI膜破碎重組的情況。硅碳復合材料電化學性能的提高不僅源于碳的優異性能，也與合理的結構設計和多組分之間的協同效應密切相關。目前主流的研究方向有核殼結構、蛋黃核殼結構、中空結構、硅石墨烯納米片等。 

廈門大學能源學院鄭淞生副教授課題組基于行業痛點，采用低成本微米硅為原料，耦合低成本工藝技術，成功生產出了高性能的硅碳負極材料。

2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術協會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯合主辦2024硅基負極材料技術與產業研討會暨第三屆先進負極材料技術與產業高峰論壇。屆時來自廈門大學能源學院的副教授/博導鄭淞生將作題為《低成本高性能鋰電池硅碳負極材料》的報告。報告主講人將介紹其團隊采用低成本微米硅為原料，耦合低成本工藝技術，成功生產出高性能的硅碳負極材料的方法。   

專家簡介：

鄭淞生，現任廈門大學能源學院副教授/副所長,博士生導師，研究方向為能源材料與能源裝備，包括電池材料（鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池）、氫氨能源材料與裝備相關研究，特別擅長相關的硅碳材料，如鋰電池的硅碳負極材料、氫燃料電池的硅碳離子擴散隔膜和雙極板、功能摻雜硅碳，以及稀土摻雜發光材料等。至今主持或參加14 項項目，包括國家自然科學基金項目、福建省重大科技專項、企業的產業化合作項目等。發表英文學術論文30多篇，申請專利40多項，其中，已授權發明專利18項，授權實用新型專利9項。

參考來源：

史傲迪，鄭淞生等.冶金法制備低成本鋰離子電池Cu-Si負極 

隋林秀.鋰離子電池硅碳負極材料的制備及其儲鋰性能研究

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