低成本硅碳负极制备新思路

发布日期:2020-08-28  来源:高工锂电网

核心提示:周向阳指出,商业化正极最高容量在200mAh/g左右,提高负极容量是提高电池能量密度的有效手段。如负极容量提升到1200-1500 mAh g-1,电池能量密度可提升近两倍。
 高比容量硅碳负极是未来高能锂离子电池发展的关键途径之一,降低原料硅与碳的制造成本对硅碳负极产业化进程的推进意义重大。
 
目前,产业正在积极寻找更加简单的硅原料与碳素负极复合途径。
 
会上,中南大学冶金与环境学院教授周向阳做了题为“锂离子电池硅碳负极材料的低成本制备”的主题演讲。
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周向阳指出,商业化正极最高容量在200mAh/g左右,提高负极容量是提高电池能量密度的有效手段。如负极容量提升到1200-1500 mAh g-1,电池能量密度可提升近两倍。
 
硅负极材料的优势在于,理论比容量高达4200 mAh/g(Li4.4Si);元素丰度高;体积比容量约为碳的12倍;密度(2.33g/cm3)略高于碳(2.25g/cm3);对锂电位0.4V,高于碳的0.05V,为电池的安全使用创造了条件。
 
然而劣势在于导电性差;体积膨胀造成颗粒粉化与脱落;SEI膜的反复破裂与生成。
 
周向阳表示,针对硅负极特性目前主要的改性手段在于:1、纳米化;2、与其他材料符合;3、结构设计。
 
其中,在Si/C复合体系中,Si颗粒作为活性物质,提供储锂容量;C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化,又能改善Si质材料的导电性,还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。
 
基于此,周向阳的判断是,硅碳负极材料是未来负极材料的发展重点。
 
但是值得注意的是,目前硅碳负极制备流程长、设备投入大、存在安全风险,产品性能一致性难保证,产品生产成本高,且高性能碳材料价格较贵。
 
周向阳突破瓶颈的思路,一是探索微纳结构硅材料的低成本研制,包括以天然埃洛石为原料制备硅材料,以人造硅源制备硅材料,以人造硅源制备高电导率硅材料,交联多孔结构硅材料的制备。
 
二是研究硅碳负极制备用高性能碳的低成本研制,包括高性价比碳素负极研究方向:原料来自其他行业,利用冶金处理手段制备。
 
三是硅原料与碳素的复合,包括包覆型硅碳负极、负载/嵌入型硅碳负极和分散型硅碳负极。
 
周向阳认为,当前较为被看好的硅碳负极并不是单一的追求高比容量,相对而言,硅含量较低、比容量不高,但是循环稳定性好、振实密度大的硅碳复合材料,特别是硅/石墨/碳复合材料具有更好的应用前景。

 
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