钜大LARGE | 点击量：1595次 | 2019年03月15日
新型硅负极材料能否给锂电池带来革命性的技术进步
早先我们对特斯拉最新款Model3所采用的100Wh电池系统分析，认为特斯拉所使用高容量锂电池通过在负极材料中添加硅材料来提升电池的能量比，可见硅材料对于提升锂电池容量的可行性已经得到进一步的验证。
事实上，新型添硅石墨负极材料是目前唯一实现了商业化应用的新型负极材料，纯硅负极材料在完全充电的状态下比容量可以达到4200mAh/g，远高于传统的石墨负极材料。但是硅负极材料在锂离子嵌入后，会引发硅负极材料晶格发生严重的膨胀，最高可达到300%，这会导致硅负极粉化、脱落，锂电池的容量严重衰减，电池结构遭到破坏。
科技研发人员为了克服硅负极材料的膨胀问题，通过制备硅纳米级颗粒、石墨包覆纳米颗粒、氧化亚硅纳米颗粒材料来尝试解决硅负极材料充电后的膨胀问题。
虽然目前所采取的这样一系列技术改性措施，取得了很大技术突破，但却不能彻底解决硅负极材料膨胀对电池产生的破坏性问题。因此在实际的应用中，通常是将硅材料与石墨材料混合使用，利用石墨材料来吸收硅负极颗粒的膨胀，减少电极粉化、脱落，提高电池的循环寿命。
据悉加拿大达尔豪斯大学化学系的LeyiZhao等人利用锂硅合金脱锂工艺合成了一种具有层状结构的无定形硅负极材料。在循环过程中，该材料嵌锂和脱锂时的材料体积膨胀明显小于普通的硅负极材料，因此材料的循环性能也得到了显著的提升。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
硅锂结构
他们利用硅化锂在酒精中脱锂，合成了具有层状结构的无定形硅负极材料。合成过程如下：首先在Ar气流保护下，利用电弧融化Si和Li，形成锂硅合金，冷却后研磨成为粉末，取1g加入三颈瓶，利用Ar气流保护，并采用磁力搅拌，最后加入酒精或者异丙醇，并进行持续搅拌。需要注意的是当使用异丙醇作为反应剂时，反应较慢，需要采用油浴加热，而采用酒精则反应迅速，不需要采用加热措施。反应后的Si负极材料经过去离子水和HCl洗涤后，在120℃下干燥后就可以获得最终产品。
对材料的结构研究后发现，化学配比为Li12Si7，Li7Si3和Li13Si4的锂硅合金经过脱锂形成了层状结构的产物，而化学配比为Li22Si5的材料则没有形成层状结构的产物。
硅负极循环数据
相比于晶体硅材料，具有层状结构的无定形硅负极材料的循环性能得到了极大的提升，循环50次容量仍然能够保持在2000mAh/g以上。为了解释层状无定形硅材料优异的循环性能，研究人员对完全充电的状态的晶体硅材料和层状无定形硅材料的体积膨胀做了测量，发现晶体硅材料在完全充电状态下体积膨胀高达241%左右，而层状无定形硅材料的体积膨胀仅有135%左右，这主要得益于层状结构之间存在较大的空间，能够吸收硅在嵌锂时发生的体积膨胀影响。
但是由于该材料具有层状结构，因此使得其在层之间的空间较大，约占整个材料体积的70%左右，因此导致该材料的体积能量密度较低(704Wh/L)，甚至低于钴酸锂与石墨电池(726Wh/L)。
无定形硅材料的循环性能要明显好于晶体硅材料，特别是当无定形硅材料具有层状结构时，层状结构之间的空间，吸收了硅材料在嵌锂时的体积膨胀，减少了材料颗粒的膨胀，提升了循环性能，但是这也造成了材料的振实密度较低，使得使用该材料的电池体积能量密度较低。
看来这项最新研究技术具有很好的实用意义，对于提升锂电池的容量给研发人员带来方向，力朗电池电芯研发部门也早有在新材料体系的研发部署，并已取得阶段性成果。
