锂离子电池硅基负极材料的应用
来源：维多利亚3308 日期：2019-08-05 09:24 浏览量：次
锂离子电池硅基负极材料的应用。与传统石墨负极相比，硅具有超高的理论比容量（4200mAh/g）和较低的脱锂电位（<0.5V），且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好。硅成为锂离子电池碳基负极升级换代的富有潜力的选择之一。
锂离子电池硅基负极材料的应用
硅材料在锂离子电池中的应用，主要涉及两方面，一是在负极材料中加入纳米硅，形成硅碳负极，二是在电解液中加入有机硅化合物，改善电解液的性质。与传统的负极材料相比，硅负极材料具有较高的能量密度和低的电化学电势。硅负极材料的理论容量为4200mAh/g，是石墨负极材料的2～10倍、尖晶石结构钛酸锂(Li4Ti5O12)材料的4～20倍。
纳米硅的应用领域广泛：
①与石墨材料组成硅碳复合材料，作为锂离子电池的负极材料，大幅提高锂离子电池的容量;
②用于制造耐高温涂层和耐火材料;
③与金刚石高压下混合形成碳化硅-金刚石复合材料，用做切削刀具;
④可与有机物反应，作为有机硅高分子材料的原料;
⑤金属硅通过提纯制取多晶硅;
⑥半导体微电子封装材料;
⑦金属表面处理。
锂离子电池硅负极材料的缺点
①硅在锂离子电池嵌入脱嵌过程中，会引起Si体积膨胀100%~300%，在材料内部产生较大的内应力，对材料结构造成破坏，电极材料在铜箔上脱落，同时硅表面的SEI膜不断重复形成-破裂-形成，共同降低了电极的导电性和循环稳定性;
②硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，进一步降低了其首次库伦效率。因而，必须解决硅在充放电过程中产生的体积膨胀和首次充放电效率低的问题。
硅材料的选择与结构设计
1.无定型硅和硅的氧化物
（1）无定型硅
无定形硅在低电位下拥有较高的容量，作为锂离子电池负极材料"相比于石墨类电极材料安全性能更高。但无定形硅材料只能在有限程度上缓解颗粒的破碎和粉化，其循环稳定性仍不能满足作为高容量电池负极材料的要求。
（2）硅的氧化物
作为锂离子电池负极材料，SiO具有较高的理论比容量（1200mAh/g以上）、良好的循环性能以及较低的脱嵌锂电位，因此也是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。但氧化硅含氧量的不同也会影响其稳定性和可逆容量：随着氧化硅中氧的提高，循环性能提高，但可逆容量减小。
采用传统石墨负极的锂离子电池因其有限的储能能力已经不再能够满足新兴市场的需求，硅基材料以其高的理论比容量而成为下一代锂离子电池负极材料的理想选择。但是，受限制于储锂过程中巨大体积变化及其较差的导电性的问题，硅基负极材料规模化、商业化之路仍困难重重。
