隨著新能源汽車(chē)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)續(xù)航里程要求的不斷提高，目前的材料體系明顯已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求,，研發(fā)新型高能量高性能材料迫在眉睫。目前,，硅基材料已成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負(fù)極的最優(yōu)先選擇。現(xiàn)狀是發(fā)展大部分材料商都展開(kāi)了對(duì)硅碳復(fù)合材料做負(fù)極材料的研究和生產(chǎn),，目前只有貝特瑞和上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段,，大多數(shù)材料商仍處于研發(fā)之中。
國(guó)內(nèi)前幾大負(fù)極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對(duì)硅碳負(fù)極材料進(jìn)行布局,，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品,，上海杉杉正處于硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，星城石墨已將硅碳新型負(fù)極材料作為未來(lái)產(chǎn)品研發(fā)方向,。此外,，電池企業(yè)中,，BYD,、CATL、國(guó)軒,、力神,、萬(wàn)向、微宏等都展開(kāi)了對(duì)硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn),。
從目前已產(chǎn)品化的硅碳負(fù)極材料性能來(lái)看,，相比于石墨負(fù)極材料而言，最大的優(yōu)勢(shì)在于比容量的提升,。硅碳負(fù)極材料的最低比容量一般都超過(guò)石墨負(fù)極材料的理論比容量,，貝特瑞的S1000型號(hào)硅碳負(fù)極材料的比容量更是高達(dá)1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距,，但已經(jīng)是人造石墨負(fù)極材料比容量的3倍,，性能有大幅度地提高。此外,，硅碳負(fù)極材料的首次效率能達(dá)到90%以上,，滿(mǎn)足應(yīng)用的要求，其他各項(xiàng)指標(biāo)也不亞于石墨負(fù)極材料,。
硅負(fù)極的優(yōu)勢(shì)在哪里
石墨的理論能量密度是372 mAh/g,，而硅負(fù)極的理論能量密度超其10倍，高達(dá)4200mAh/g,，而且還具有環(huán)境友好,、儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn),， 通過(guò)在石墨材料加入硅來(lái)提升電池能量密度已是業(yè)界公認(rèn)的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做硅碳負(fù)極電池的商業(yè)化,，包括比亞迪,、力神、比克,、萬(wàn)向等國(guó)內(nèi)電池廠商也在跟蹤,，但是至目前為止還沒(méi)有看到量產(chǎn)的產(chǎn)品。特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅,，其能量密度至少在550mAh/g以上,，特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上,。
硅材料在鋰電池的應(yīng)用
硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用,，主要涉及兩方面，一是在負(fù)極材料中加入納米硅,，形成硅碳負(fù)極,，二是在電解液中加入有機(jī)硅化合物，改善電解液的性質(zhì),。
(一)納米硅：鋰電負(fù)極材料的重要成員
納米硅,，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無(wú)定形材料,，常由溶膠凝膠法等方法制備而成,。納米硅粉具有純度高、粒徑小,、分布均勻,、比表面積大、高表面活性,、松裝密度低等特點(diǎn),，且無(wú)毒、無(wú)味,。 納米硅的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：①與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料,，作為鋰離子電池的負(fù)極材料，大幅提高鋰離子電池的容量,，這是我們關(guān)注的重點(diǎn);②用于制造耐高溫涂層和耐火材料;③與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復(fù)合材料,，用做切削刀具;④可與有機(jī)物反應(yīng)，作為有機(jī)硅高分子材料的原料;⑤金屬硅通過(guò)提純制取多晶硅;⑥半導(dǎo)體微電子封裝材料;⑦金屬表面處理,。
(二)有機(jī)硅：鋰電電解液的功能添加劑
有機(jī)硅,，是一類(lèi)人工合成的，結(jié)構(gòu)上以硅原子和氧原子為主鏈的一種高分子聚合物。由于構(gòu)成主鏈的硅-氧結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié),，因此有機(jī)硅高聚物的分子比一般有機(jī)高聚物對(duì)熱,、氧穩(wěn)定得多。 有機(jī)硅獨(dú)特的結(jié)構(gòu),，使其兼?zhèn)淞藷o(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料的性能,，具有表面張力低、粘溫系數(shù)小,、壓縮性高,、氣體滲透性高等基本性質(zhì)，并具有耐高低溫,、電氣絕緣,、耐氧化穩(wěn)定性、耐候性,、難燃,、憎水、耐腐蝕,、無(wú)毒無(wú)味以及生理惰性等優(yōu)異特性,，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣,、建筑,、運(yùn)輸、化工,、紡織,、食品、輕工,、醫(yī)療等行業(yè)，其中有機(jī)硅主要應(yīng)用于密封,、粘合,、潤(rùn)滑、涂層,、表面活性,、脫模、消泡,、抑泡,、防水、防潮,、惰性填充等,。
盡管有機(jī)硅在室溫下的力學(xué)性能與其它材料差異不大，但其在高溫及低溫下的物理、力學(xué)性能表現(xiàn)卓越,，溫度在-60到+250℃多次交變而其性能不受影響,，故有機(jī)硅高聚物可在這個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)期使用，有些有機(jī)硅高聚物甚至能在低至-100℃下正常使用,。
硅負(fù)極材料的缺點(diǎn)
硅負(fù)極材料的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯,，主要有兩大缺點(diǎn)：①硅在鋰離子嵌入脫嵌過(guò)程中，會(huì)引起Si體積膨脹100%~300%,，在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,，對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成破壞，電極材料在銅箔上脫落,，同時(shí)硅表面的SEI膜不斷重復(fù)形成-破裂-形成,，共同降低了電極的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性;②硅為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性比石墨差很多,，導(dǎo)致鋰離子脫嵌過(guò)程中不可逆程度大,，進(jìn)一步降低了其首次庫(kù)倫效率。因而,，必須解決硅在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹和首次充放電效率低的問(wèn)題,。