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硅基負極配高鎳正極是“虎斗”還是“共生”？

中國粉體網蘇簡 2025-06-12 10:27:55

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長以及性價比高等優點，已在電子產品、電動汽車和儲能等領域中得到廣泛應用。近年來，里程焦慮推動鋰離子電池的能量密度不斷提升。將高電壓、高比容量的層狀高鎳三元正極（如LiNi_xCo_yMn_zO₂（NCMxyz），x+y+z=1，x≥0.8）與高比容量的硅基負極匹配是開發下一代能量密度超過300 Wh kg-1鋰離子電池的重要技術路線之一。

然而，由于受到循環過程中體相各向異性體積變化和界面衰減等因素的影響，高鎳正極和硅基復合負極都存在著嚴重的結構不穩定性問題。

具體而言，氫氟酸（HF）產生、正極/電解質界面相（CEI膜）破壞、過渡金屬溶解/遷移/沉積、晶格氧熱穩定性、電解質氧化和微裂紋等問題在高鎳正極中鎳含量超過80%時變得更加嚴重。另一方面，鋰化會導致氧化亞硅和硅負極的體積分別膨脹200%和300%，這將伴隨負極顆粒粉化、固體電解質界面相（SEI膜）的持續破壞與再生、電解質耗盡和活性鋰損失等問題。

高鎳-硅基負極電池設計及容量匹配性

過去的三十年間，關于鋰離子電池的設計與失效分析的研究已經非常的多，其中大部分研究也適用于高鎳硅基體系電池的研究。

在固定電池的結構設計的前提下，鋰離子電池能量密度的提高主要從材料配方設計的角度出發。一方面是選擇高克容量的正負極材料，并盡可能提高正負極活性物質的占比；另一方面是選擇性能優異的的粘結劑、導電劑、電解液等，以及選擇更輕的隔膜、集流體、極耳等，以盡可能的減少電池中非活性物質的占比，為保證電池的性能，以上所有設計都應該精確的設計。此外還有一個重要的問題是正負極的容量匹配性（N/P）。

在確定了電池體系所需的關鍵材料后，N/P比將是一個極其重要的設計參數對電池的能量密度、循環壽命和安全等性能有重大的影響。研究發現除倍率性能外,電池的容量發揮首效、高低溫放電、高溫存儲、循環壽命均與N/P具有相關性。提高N/P可顯著提高正極材料的容量發揮，而低的NP可以降低電池在高溫存儲、循環過程中過渡金屬溶出和副反應發生。與石墨類電池相比，N/P對存在較大體積膨脹的硅基電池的影響更為復雜。

高鎳-硅基負極的研究

中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊課題組采用一種含氰基的氟化磷酸鋰鹽（LiTFTCP）大幅提升NCM811/S650全電池（正極負載=17.2 mg cm^-2，S650代表石墨SiO_x復合負極的比容量為650 mAh g^-1）室溫高溫循環壽命和熱安全性。結果表明，LiTFTCP可以有效抑制HF的產生，且有利于形成富含氰基的CEI膜和富含LiF的SEI膜。形成的SEI/CEI膜堅固穩定且耐熱，可以有效抑制電極結構衰減、電解液分解、熱誘導產氣和熱失控放熱。

LiTFTCP添加劑在穩定電極/電解液界面和提高NCM811/S650全電池的熱安全性方面的作用機制

法恩萊特研發團隊針對高鎳配硅負極體系，通過復合成膜添加劑與硅表面形成“剛柔并濟”的SEI/CEI膜，具有良好的柔韌性和機械強度，能夠有效緩沖硅負極在充放電過程中的體積膨脹；通過原位成膜與硅負極表面有機貼合，緩解其體積膨脹，促進鋰離子有序傳輸，加速鋰離子界面脫溶劑化進程，同時抑制溶劑分子的還原副反應，顯著提升高鎳適配硅負極的循環性能；電解液中引入納米分散劑，預浸潤硅基負極的多孔結構，填充顆粒間隙緩沖體積膨脹應力，同時，分散劑與硅基表面形成化學鍵，增強電極機械強度，進一步增強SEI膜的穩定性。

西北工業大學材料學院馬越教授團隊提出了采用凝膠聚合物電解質的策略，以增強硅負極的機械穩定性，并通過螯合過渡金屬離子來穩定界面性能，以提高鋰離子電池的利用率、應力分散和極端溫度耐受性。團隊通過凝膠聚合物電解質封裝與空間排列的硅負極和NMC811正極匹配，制備了2.7Ah的軟包電池，其能量密度達到了325.9 Wh kg^-1，在2000次循環達到88.7%的容量保持率，并具有阻燃和寬泛的溫度容耐受性。