目前，商用石墨負(fù)極的比容量已接近其理論最大值372mA·h/g。如果想進(jìn)一步提高動(dòng)力電池的能量密度。開發(fā)新型高容量正極材料一直是高比能量鋰離子電池發(fā)展的另一個(gè)重要研究方向。

①納米硅基負(fù)極材料

硅是目前理論比容量最高的正極材料。鋰在硅中形成LI4 4Si時(shí)，硅的比容量高達(dá)4200mA·h/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極的理論比容量。硅的氧化物SiOx(0 < x < 2)也具有很高的比容量(理論比容量大于2000mA·h/g)。此外，硅基負(fù)極材料還具有嵌鋰電位低、放電電平表穩(wěn)定、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此成為最有希望替代石墨負(fù)極的材料之一。

設(shè)計(jì)合適的微納結(jié)構(gòu)對(duì)于硅基負(fù)極材料來(lái)說(shuō)非常重要。

② 硅基材料納米化

硅基顆粒的大小直接影響其在鋰電過(guò)程中是否粉化。硅基負(fù)極材料在納米維度上可以更快地釋放應(yīng)力。在周圍介質(zhì)的約束下，與大尺寸硅負(fù)極相比，不易產(chǎn)生裂紋，有效提高了硅基材料的倍率能量和比容量。

制備納米硅基顆粒材料的常用方法有機(jī)械球磨、砂磨、化學(xué)氣相沉積（CVD）和熔鹽電解等。

③ 納米硅碳復(fù)合材料

由于納米硅容易團(tuán)聚，嵌鋰后體積變化較大，嵌鋰后局部電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率發(fā)生較大變化，很難在硅表面形成穩(wěn)定的SEI膜。納米硅碳復(fù)合材料的開發(fā)是推動(dòng)硅負(fù)極應(yīng)用的關(guān)鍵。

④納米硅基負(fù)極材料

目前納米硅碳復(fù)合負(fù)極材料已經(jīng)開始商業(yè)化，部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能相對(duì)較低的納米硅碳負(fù)極材料的量產(chǎn)。

中國(guó)宣稱能夠量產(chǎn)納米硅基負(fù)極的企業(yè)有：貝特瑞、天目領(lǐng)航、正拓能源、深圳雪花、杉杉股份、江西紫辰等；

國(guó)際上能夠量產(chǎn)硅基負(fù)極的企業(yè)主要集中在日本和韓國(guó)，其代表企業(yè)有日立化學(xué)、三菱化學(xué)、昭和電機(jī)、神越、吳宇化學(xué)、韓國(guó)GS公司等。

⑤ 鋰金屬負(fù)極

金屬鋰因其理論容量為3860mA·h/g和最低的還原電位（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-3.040v）而被視為鋰電池的終極材料。然而，鋰金屬負(fù)極在帶來(lái)高能量密度的同時(shí)，其缺點(diǎn)也非常明顯：

鋰的高反應(yīng)活性和充放電過(guò)程中不均勻的沉積和剝離過(guò)程導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中嚴(yán)重的粉化和鋰枝晶生長(zhǎng)，導(dǎo)致電池性能迅速下降。而且，鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)刺穿隔膜，造成電池短路，造成嚴(yán)重的安全事故。

⑥ 構(gòu)建三維載體結(jié)構(gòu)

At present, most of the current collectors are copper foil collectors, which is because copper has excellent conductivity, good mechanical properties and low price. However, these collectors are usually two-dimensional structure, which is difficult to solve the problems faced by metal lithium anode; It is an effective method to modify the collector to improve the uniformity of lithium metal deposition. Relevant studies show that the design of three-dimensional skeleton is expected to control the volume expansion in the process of metal lithium deposition, adjust the deposition behavior of metal lithium and inhibit the growth of lithium dendrites.

⑦ Design of artificial protective layer on surface

金屬鋰與電解液反應(yīng)生成的SEI膜是影響金屬鋰負(fù)極性能的關(guān)鍵因素。金屬鋰負(fù)極具有相當(dāng)高的反應(yīng)活性，與電解液接觸時(shí)很難生成均勻致密的SEI膜。通過(guò)在金屬鋰表面設(shè)計(jì)人工保護(hù)層，可以避免金屬鋰與電解液的直接接觸，避免活性鋰被連續(xù)副反應(yīng)消耗，設(shè)計(jì)出機(jī)械性能更好、離子電導(dǎo)率高的SEI膜可以顯著提高電池的性能。

目前，規(guī)?；虡I(yè)化的正極材料主要是石墨碳材料和鈦酸鋰（LTO）。隨著電池能量密度的逐步提高，傳統(tǒng)的正極材料已難以滿足下一代鋰離子電池對(duì)高比能正極的需求。在硅基負(fù)極的發(fā)展方向上，研究人員通過(guò)納米硅碳復(fù)合材料控制納米硅的團(tuán)聚，抑制副反應(yīng)，從而在一定程度上抑制硅基負(fù)極的膨脹，提高其循環(huán)性，使有一定的應(yīng)用場(chǎng)景。

The technical route of high nickel ternary with nano silicon carbon anode has been widely recognized; With the gradual maturity of the preparation process of nano silicon carbon anode, nano silicon carbon anode with large room for improvement in specific energy is expected to be widely used.

Compared with nano silicon carbon negative electrode, composite metal lithium negative electrode has higher specific capacity and relatively easy control of volume expansion. Therefore, composite metal lithium negative electrode material is an ideal choice for lithium ion battery high energy density with energy density above 400W·h/kg.

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本文由日本NEC鋰電池中國(guó)營(yíng)銷中心于2023-04-22 11:46:43 整理發(fā)布。
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