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為什么說納米硅粉碳材料是有潛力的鋰電池負極

來源:上海超威納米科技有限公司    日期:2019-01-28    瀏覽量:載入中...

  上海超威納米科技有限公司計劃于2019年穩定供應年產能200噸納米硅粉應用于鋰電池硅碳負極材料中。

  前言

  新能源汽車領域的日趨火爆,吸引著國內外大量企業前赴后繼奔赴“戰場”,并不新鮮的錳酸鋰技術卻似乎又開始綻放出引人注目的色彩。技術創新固然可喜,但尋找性價比更高、儲藏量更大、具有更多定價話語權的新原材料,才是提升行業終端降本增效能力的治本之法。

  硅是目前人類至今為止發現的比容量(4200mAh/g)高的鋰離子電池負極材料,是一種有潛力的負極材料,但硅作為鋰電池負極應用也有一些瓶頸,問題是硅在反應中會出現體積膨脹的問題。通過理論計算和實驗可以證明嵌鋰和脫鋰都會引起體積變化,這個體積變化是百分之320。所以不論做成什么樣的材料,微觀上,在硅的原子尺度或者納米尺度,它的膨脹是百分之300。在材料設計時必需要考慮大的體積變化問題。高體積容量的材料在局部會產生力學上的問題,通過一系列的基礎研究證明,它會裂開,形成嚴重的脫落。

  硅體積膨脹會導致一系列結果

  1.顆粒粉化,循環性能差

為什么說硅碳材料是最有潛力的鋰電池負極

  2. 活性物質與導電劑粘結劑接觸差


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  第二個問題就是在硅表面的SEI膜是比較厚且不均勻的,受溫度和添加劑的影響很大,會影響鋰離子電池中整個比能量的發揮。


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  石墨表面因為導電性特別好,相對來說SEI膜比較均勻,它的組成跟硅負極不一樣。為了研究這個問題,中科院相關科學家做了模型材料,通過微加工做成硅納米柱。觀察這種材料在充放電過程中SEI膜的生長,我們發現隨著循環次數的增加,SEI膜逐漸把硅柱中間的空隙填上,覆蓋完后還會繼續生長大概4.5μm,在硅表面如果不加任何處理,SEI膜可以長得很厚。這說明它是多孔的,溶劑始終能夠接觸到浸到硅的表面,這樣在全電池設計時是不行的。怎么樣解決這個問題,中科院科相關學家做了一些嘗試在硅上做了碳包覆,為了做對比,我們硅上只做了部分的石墨烯包覆,其他地方空出來??吹桨埠筒话睸EI膜的生長情況不一樣,碳包覆的SEI膜就明顯減少,沒有包覆的SEI膜就有很多。


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  從長期的基礎研究來看,①通過硅粉納米化;②硅碳包覆;等技術手段可以有效解決硅在鋰電池負極應用中遇到的問題。無論是納米硅碳還是氧化亞硅碳,硅力求做到以下幾點:

  硅粒徑:<20nm(理論上越小越好)

  均勻度:標準偏差小于5nm

  純度:>99.95%

  形貌:百分之百球形率


  另外,完整的表面包覆非常重要,防止硅和電解液接觸,產生厚的SEI膜的消耗。微觀結構的設計也很重要,要來維持在循環過程中電子的接觸,離子的通道,體積的膨脹。


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  碳包覆機理在于:Si的體積膨脹由石墨和無定形包覆層共同承擔,避免負極材料在嵌脫鋰過程因巨大的體積變化和應力而粉化。碳包覆的作用是:

  (1)約束和緩沖活性中心的體積膨脹

  (2)阻止納米活性粒子的團聚

  (3)阻止電解液向中心滲透,保持穩定的界面和SEI

  (4)納米硅粉貢獻高比容量,碳材料貢獻高導電性

  硅碳負極具有非常廣闊的市場空間

  負極材料技術相對比較成熟,且其集中度較高,產能由日本向中國轉移比較明顯。目前負極材料以碳素材料為主,占鋰電池成本較低,在國內基本全面實現產業化。從區域看,中國和日本是全球主要的產銷國,動力電池企業采購負極主要來自于日本企業。

  2012-2016年中國負極材料產量情況(萬噸)


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  2015 年,全球負極材料總體出貨量為11.08 萬噸,同比增長29.59%。其中中國負極材料的出貨量達到7.28 萬噸,同比增長41.1%,占比高達 66%。近幾年,隨著中國生產技術的不斷提高,中國又是負極材料原料的主要產地,鋰電負極產業不斷向中國轉移,市場占有率不斷提高。硅碳負極材料是未來鋰電池負極材料具應用潛力的,可見硅碳負極材料的市場容量有多大,這也解釋了目前為何有眾多企業和研究單位布局硅碳負極材料。


為什么說硅碳材料是最有潛力的鋰電池負極
上海超威納米科技有限公司計劃于2019年穩定供應年產能200噸納米硅粉應用于鋰電池硅碳負極材料中。

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