美大学研究员发现扩大锂离子电池中硅基负极 可提高电池20%性能

据外媒报道，美国宾州州立大学的研究人员开发一种新策略，可以在锂离子电池中扩大硅基负极的应用，将电动汽车、智能手机的功率提高20%。

机械与化学工程教授DonghaiWang表示:“硅有望成为下一代锂离子电池负极材料。但是，研究表明，在循环过程中，这种材料非常不稳定。”在传统锂离子电池循环周期中，硅作为负极材料，会发生严重的体积膨胀与收缩，限制其商业应用潜力。这种在充放电过程反复出现的体积变化，使电池结构受损。久而久之，会导致电池发生爆料等不稳定现象，缩短电池寿命。

研究人员开发新策略，保持硅材料弹性，从而更好地传输能量，保持电极完整性。Wang表示：“我们发现，采用超弹性凝胶聚合物电解质（GPE）缓冲层，包围硅基负极，可以让硅保持稳定，阻止电极内的粒子移动。”GPE材料由软醚部分和硬循环部分构成，软醚部分提供弹性，硬循环部分防止聚合物过度膨胀。“两部分协同工作，使GPE材料适当膨胀和收缩，同时保持硅负极结构稳定。”

研究人员表示，这一策略或将解决目前硅基负极面临的问题，将锂离子电池的储能提高20%。Wang说：“以往的电池中只能用5%的硅，所产生的效果十分有限。通过这种方法，我们可以使用纯硅负极，显著增加电池的容量和能量密度，为创造下一代锂离子电池铺平道路。”

伴随三元正极进一步推广，硅基负极市场空间广阔在高能量密度发展的路径之上，动力电池正极采用高镍三元材料，而负极则配合使用硅基负极材料。未来NCM811和NCA成为动力电池的主流市场。随着硅基负极制备工艺及电池厂商对于高镍体系掌握的逐步成熟，硅基负极未来将迎来较为广阔的市场。

锂电池的负极材料对于电池的安全性能，能量密度及循环寿命等技术指标有重要的影响。

现有的负极材料分为碳材料和非碳材料，碳系负极材料主要包括人造石墨、天然石墨和中间相炭微球等;非碳材料负极主要包括钛基材料和硅基材料。

目前，石墨负极材料(主要是天然石墨和人造石墨)凭借工艺成熟、成本较低和性能较好的优势占据90%的负极材料市场。

然而，石墨材料虽有高电导率和稳定性的优势，但在能量密度方面的发展已接近其理论最大值(372mAh/g)。

随着新能源汽车对续航能力要求不断提高，电池负极材料也在向着高能量密度方向发展。

硅具有4200mAh/g的理论克容量，且地球储量高，结合了碳材料高电导率、稳定性及硅材料高容量优点的硅基材料(Si/C、SiO/C)有着巨大的发展潜力。