硅碳vs硅氧，硅基負(fù)極哪個(gè)更有前途？

硅基負(fù)極作為下一代新能源車動(dòng)力電池能量密度提升的關(guān)鍵材料，一直是研發(fā)和關(guān)注的焦點(diǎn)。由于硅材料容易膨脹，巨大的體積變化會(huì)引起硅顆粒的破碎分化，從而影響電池的首效和壽命。為了緩解膨脹，商業(yè)化應(yīng)用時(shí)大多會(huì)選擇將石墨材料和硅材料復(fù)合。硅材料分為納米硅和氧化亞硅，對(duì)應(yīng)硅基負(fù)極兩條路線：硅碳負(fù)極和硅氧負(fù)極。

硅碳負(fù)極

硅碳負(fù)極采用納米硅和石墨材料混合，通過(guò)降低硅基材料粒徑至納米級(jí)別，可以擁有較小的顆粒尺寸和更多的空隙，更容易緩沖硅在脫嵌鋰離子過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和形變。此外，納米顆粒可以縮短鋰離子擴(kuò)散距離，增加硅材料儲(chǔ)鋰能力。

硅碳負(fù)極制備流程（中金公司）

硅碳負(fù)極生產(chǎn)工藝核心難點(diǎn)在于納米硅粉的制備。研究發(fā)現(xiàn)，單個(gè)硅納米粒子的鋰化，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)約150nm的臨界粒徑，低于該臨界粒徑時(shí)，顆粒在第一次鋰化時(shí)不會(huì)破裂，所以降低硅材料粒徑是減少粉化的有效途徑。

常見(jiàn)的納米硅的生產(chǎn)工藝有鎂熱還原法、硅烷熱解法、放電等離子法和機(jī)械研磨法。國(guó)內(nèi)納米硅粉的制備主要以機(jī)械研磨法為主，美國(guó)、日本等國(guó)家的企業(yè)對(duì)納米硅粉的研究起步較早，日本帝人，美國(guó)杜邦等企業(yè)均可以用等離子蒸發(fā)冷凝法進(jìn)行納米硅粉的制備，目前國(guó)內(nèi)等離子體法進(jìn)展較快的企業(yè)為博遷新材，目前已經(jīng)處于中試階段。

硅氧負(fù)極

硅氧負(fù)極采用氧化亞硅（SiOx）和石墨材料混合，相比于硅材料，氧化亞硅材料在嵌鋰過(guò)程中的體積膨脹大大減小，因此循環(huán)性能也得到了極大的提升。

硅氧負(fù)極制備流程（中金公司）

硅氧負(fù)極的核心是制備SiOx。大部分的企業(yè)是將純硅和SiO2合成SiOx，形成硅氧負(fù)極前驅(qū)體，然后經(jīng)粉碎、分級(jí)、表面處理、燒結(jié)、篩分、除磁等工序制備而成。

哪個(gè)更有前途

目前商業(yè)化硅碳負(fù)極容量在450mAh/g以下，一般用于消費(fèi)電池。但硅碳負(fù)極的體積膨脹嚴(yán)重，導(dǎo)致循環(huán)性能較差，一般在500-600周，達(dá)不到國(guó)際規(guī)定動(dòng)力電池循環(huán)1000周的標(biāo)準(zhǔn)。一般從２個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行材料改性：一方面是對(duì)硅單質(zhì)體系的改性，如使用納米硅和硅薄膜等；另一方面是對(duì)碳／硅基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)改性，如核－殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。

目前商業(yè)化硅氧負(fù)極應(yīng)用容量主要在450-500mAh/g，既可用于消費(fèi)也可用于動(dòng)力。但SiOx材料目前主要存在兩個(gè)問(wèn)題：首次庫(kù)侖效率低和循環(huán)性能的衰減。前者目前較為實(shí)際的解決辦法主要是通過(guò)向添加少量的Li源，在充電的過(guò)程中利用這部分額外的Li補(bǔ)充首次充電過(guò)程中不可逆的Li消耗，以達(dá)到提升鋰離子電池首次效率的目的；后者主要是通過(guò)碳包覆與SiOx納米化來(lái)緩沖體積膨脹，提升循環(huán)穩(wěn)定性。

綜合來(lái)看，兩個(gè)材料都很有前途。就目前而言，硅氧負(fù)極比容量高，作為電池性能比較適中；但隨著硅碳負(fù)極的研究深入，如果其循環(huán)壽命能達(dá)到1000圈，加上首效強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，也會(huì)很有前景。

參考文獻(xiàn)：

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3、王毅杰等，《機(jī)械法原位包覆制備納米硅及其電性能研究》

4、祝鵬浩等，《鋰／硅電池抑制硅基電極體積膨脹的方法》

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