我國(guó)鋰離子電池負(fù)極材料市場(chǎng)規(guī)模隨著新能源汽車的興起及鋰離子電池等產(chǎn)品的發(fā)展增長(zhǎng)迅速，目前已有百億規(guī)模。目前商業(yè)上能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的負(fù)極材料是石墨，其實(shí)際比容量的發(fā)揮已接近理論值（372 mAh/g），有限的容量已無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)高比容量LIBs 的需求。因此，尋求具有更高理論比容量、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全穩(wěn)定性高以及生產(chǎn)成本低的 LIBs 負(fù)極材料迫在眉睫。而硅基負(fù)極作為一種低成本、高容量、低電壓平臺(tái)的下一代熱門負(fù)極材料，受到非常多的關(guān)注。本期┊光子灣┊將會(huì)為大家介紹鋰離子電池負(fù)極材料以及硅基負(fù)極的優(yōu)缺點(diǎn)。

Part.01

鋰離子電池負(fù)極材料

隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)高效能電源的需求急劇增長(zhǎng)，鋰離子電池（lithium ion batteries，簡(jiǎn)稱LIBs），因其具有高能量密度、高工作電壓、長(zhǎng)循環(huán)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前發(fā)展最為迅速的儲(chǔ)能器件。目前，行業(yè)中研究的鋰離子電池負(fù)極材料種類有很多，如石墨、硬碳和軟碳等碳材料，鈦酸鋰，硅基和錫基材料。下方為這些材料的主要性能參數(shù)。

典型負(fù)極材料的理化性能和電化學(xué)性能

在鋰離子電池的充放電循環(huán)中，鋰離子在負(fù)極材料中反復(fù)經(jīng)歷嵌入和脫出過(guò)程，伴隨電化學(xué)氧化/還原反應(yīng)。為確保電池的優(yōu)異電化學(xué)性能，負(fù)極材料通常需滿足以下條件：

• 鋰離子嵌入和脫出時(shí)電壓較低，使電池具有高工作電壓

• 質(zhì)量比容量和體積比容量較高，使電池具有高能量密度

• 主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面形成固體電解質(zhì)界面(SEI)膜穩(wěn)定，使電池具有良好循環(huán)性能

• 表面積小，不可逆損失小，使電池具有高充放電效率

• 具有良好的離子和電子導(dǎo)電能力，有利于減小極化，使電池具有大功率特性和容量

• 漿料制備容易、壓實(shí)密度高、反彈小，具有良好加工性能

• 安全性能好，使電池具有良好安全性能

具有價(jià)格低廉和環(huán)境友好等特點(diǎn)

Part.02

硅基負(fù)極

硅基負(fù)極由于其高理論比容量被視為是繼石墨之后最具發(fā)展前景的負(fù)極材料。其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 理論比容量高，Si完全鋰化至Li4.4Si時(shí)理論比容量可達(dá)到4200mAh/g（約為石墨的10倍）；

• 工作電壓合適（約0.2～0.3Vvs.Li/Li+），可直接與商用正極材料（如LiCoO2、鎳鈷錳三元材料等）匹配制作全電池；

天然資源豐富、價(jià)格低廉及環(huán)保等。

盡管硅基負(fù)極有許多優(yōu)點(diǎn)，但同樣也存在一些問(wèn)題限制了其商業(yè)化的應(yīng)用。硅基負(fù)極的儲(chǔ)鋰機(jī)制為合金化反應(yīng)機(jī)制，鋰化過(guò)程中硅材料會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹。在電池工作過(guò)程中，反復(fù)的體積變化會(huì)導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)崩潰、固體電解質(zhì)界面（ solidelectrolyte interphase，SEI）的反復(fù)形成，造成活性Li+的不可逆損耗和容量的快速衰減，從而使得硅基LIBs 的首次庫(kù)倫效率和循環(huán)壽命降低。

Si基負(fù)極失效機(jī)理

為了解決以上問(wèn)題，研究者們做了大量的工作，包括：

• 對(duì)硅基材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改性，縮短Li+傳輸距離，增強(qiáng)材料導(dǎo)電性與穩(wěn)定性，提高Li+的利用率；

• 研發(fā)具有足夠粘接力的粘結(jié)劑，保持循環(huán)過(guò)程中硅與集流體之間的良好電子傳輸，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的電極結(jié)構(gòu)；

開發(fā)可以改善循環(huán)性能的電解液添加劑等策略，在電極表面提前成膜形成功能性SEI以改善負(fù)極/電解液界面不穩(wěn)定問(wèn)題。

硅基負(fù)極改性策略

隨著對(duì)硅基負(fù)極材料研究的不斷深入，我們有理由相信，硅基負(fù)極材料將克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)，成為鋰離子電池負(fù)極材料的下一個(gè)重要選擇。其高理論比容量、適宜的工作電壓和豐富的自然資源，使其在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成本的降低，硅基負(fù)極材料有望在鋰離子電池市場(chǎng)中占據(jù)重要地位，推動(dòng)能源存儲(chǔ)技術(shù)向前發(fā)展。無(wú)論是在材料科學(xué)的最新突破，還是在鋰電領(lǐng)域的深入研究，光子灣科技都扮演著至關(guān)重要的角色，以滿足市場(chǎng)對(duì)高性能鋰離子電池的迫切需求。

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