碳基还是硅基？突破高能量，锂离子电池负极材料之争会花落谁家？
时间:2021-04-08 10:04来源:电力知识学堂 作者:综合报道
点击:
次
在众多的替代材料之中，硅有望成为下一代大容量锂离子电池的负极材料。硅的理论比容量比石墨的比容量高一个数量级，且硅是地壳中丰度第二高的元素，无毒无害。
但是，硅作为锂离子电池的负极材料还存在锂化和去锂化过程中体积膨胀和收缩的问题。那么，突破高能陷阱，锂离子电池负极材料之争究竟会花落谁家？
锂离子电池由于其电压高、比容量大、循环寿命长、自放电小、安全性能好、无记忆效应和环境友好等优点，成为一种受人瞩目的绿色储能电池。锂离子电池将在低碳环保和节能减排方面越来越显示出其重要的作用。
但是，当前的锂离子电池技术还无法完全满足新应用领域的需求，迫切需要朝着高能量密度、长循环寿命和低成本的方向发展。
目前锂离子电池的研究主要集中在几种关键材料：正极材料、负极材料、电解液和隔膜。
锂离子电池的工作原理主要是充放电原理，即在正、负极之间锂离子透过电解质进行可逆地嵌入脱出反应。锂离子在电池的充放电过程中一直处于从正极→负极→正极的持续运动状态。
在一般情况下，锂离子在正负极间的嵌入与脱出，是不会改变晶体的结构，改变的只有晶体的层间距。
以石墨负极为例，在充电过程中，锂插入到石墨的层状结构中，放电时则从层状结构中抛出了，此过程的可逆性很好，因此所组成的锂二次电池循环性能非常优越。
锂离子电池的正负极材料均由可嵌锂物质组成。从锂离子电池的发展来看，锂离子电池的电化学性能主要取决于所用电极材料和电解质材料的结构和性能。
负极作为其关键构成成分之一，直接决定了锂离子电池的性能，目前市场上主要采用石墨类负极材料，没有毒性，且处于放电状态时在空气中比较稳定。
然而，石墨类负极的两个致命缺陷：低能量密度(理论比容量372 mAh/g)和安全隐患(“析锂”现象)令其无法很好适用于动力电池。
因此，寻找一种新型高容量、安全性好和长循环的材料来替换石墨类负极材料成为动力锂离子电池进一步发展的关键。
除石墨类碳基负极材料以外，非碳基负极材料的发展也十分突出，其中主要有氮化物材料，硅基材料，锡基材料，新型合金等。
硅因其超高比容量(理论值4200 mAh/g)、低嵌锂电位(<0.5 V)和元素含量丰富等优点而脱颖而出。
然而，在硅锂合金化过程中伴随着巨大的体积效应(>300%)，使活性材料粉化、电极内电接触失效，最终导致循环性能迅速衰退，很大程度上限制了其商业化应用。
如何缓解硅的体积变化对电极的不利影响是硅基材料取代传统石墨类碳基材料实现商业化应用的关键。
近年来，硅氧化物(SiOx，0<x≤2)引起了人们的关注，最常见的如氧化亚硅(SiO，x≈1)，目前已经开始用于锂离子电池负极材料并展现出巨大的潜力。
硅氧化物与碳石墨类材料相比，具有较高的比容量，与Si 单质相比拥有良好的循环稳定性。
硅氧化物材料是一种极具有潜力的锂离子电池负极材料，提供高容量的超细纳米硅团簇均匀分散在硅氧化物基质中，能够缓冲体积效应和保护电化学活性，因此令其综合具备高容量和长循环等性能。
虽然硅氧化物负极材料具有很强的优势，但实现实用化仍然存在较多问题有待解决。
氮化物负极材料存在充放电平台不稳定，经过多周期的循环后有衰减的明显状况，其限制了其在实际中的应用。金属锡具有较高的嵌锂比容量，但嵌锂时材料体积容易改变，循环稳定性较差。
在众多的替代材料之中，硅碳复合材料逐渐进入大众视野中，由碳和硅形成分散或包覆的结构，其中硅的作用是重点提升容量和密度，而碳的作用是缓冲嵌脱锂过程中硅的体积变化，从而来提高复合材料的电子电导率与相容性。因此硅碳复合材料导电率高、循环性能好。期待其早日实现技术突破，实现商业化应用。
(责任编辑：子蕊)
免责声明：本文仅代表作者个人观点，与中国电池联盟无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本网证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。
凡本网注明 “来源：XXX（非中国电池联盟）”的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的，请在一周内进行，以便我们及时处理。
QQ：503204601
邮箱：cbcu@cbcu.com.cn
凡本网注明 “来源：XXX（非中国电池联盟）”的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的，请在一周内进行，以便我们及时处理。
QQ：503204601
邮箱：cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜欢
-
宝马、丰田纷纷下注，固态电池是噱头还是黑科技？
2021-05-15 12:51 -
整车与电池企业竞合关系新思考：单干，还是合作
2021-04-08 09:09 -
“重拾” 磷酸铁锂电池，是技术倒退还是市场选择？
2021-03-23 10:42 -
暂停”还是“快进”？谁能够抓住燃料电池的风口
2021-02-03 11:09 -
整车“眼高”，电池“手低”，1000公里续航还是再等等
2021-02-02 09:46 -
如何构建持久耐用的电池：是降低成本还是延长寿命？
2020-12-24 09:26 -
汽车电池自研还是外包？通用和福特有话说
2020-10-22 09:07 -
电池租用是造福用户还是资本需求？
2020-09-04 09:10 -
刀片电池 VS 811，磷酸铁锂还是高镍三元？
2020-09-03 09:11 -
能量密度遭遇瓶颈，动力电池发展是停滞还是破局？
2020-08-31 10:23
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
专题
相关新闻
-
宝马、丰田纷纷下注，固态电池是噱头还是黑科技？
2021-05-15 12:51 -
整车与电池企业竞合关系新思考：单干，还是合作
2021-04-08 09:09 -
“重拾” 磷酸铁锂电池，是技术倒退还是市场选择？
2021-03-23 10:42 -
暂停”还是“快进”？谁能够抓住燃料电池的风口
2021-02-03 11:09 -
整车“眼高”，电池“手低”，1000公里续航还是再等等
2021-02-02 09:46 -
如何构建持久耐用的电池：是降低成本还是延长寿命？
2020-12-24 09:26 -
汽车电池自研还是外包？通用和福特有话说
2020-10-22 09:07 -
电池租用是造福用户还是资本需求？
2020-09-04 09:10
本月热点
-
2020年锂电池行业研究报告
2021-05-11 11:24 -
突发｜深圳一锂电企业停止经营、解散员工！
2021-05-11 10:02 -
4月我国动力电池装车量同比上升134.0%
2021-05-13 08:26 -
如何看待Pack内铁锂和三元混用
2021-06-01 09:25 -
可充电中性锌空气电池：进展，挑战和未来
2021-05-19 10:59 -
揭开赣锋锂业的家底
2021-06-03 09:46 -
“电池荒”来袭，生产纯电动汽车的车企要被卡脖子了？
2021-06-01 21:22 -
关于征集《锂离子电池用连续式真空干燥系统技术规范》等两项行业标准的函）征求意见程序
2021-05-31 22:53
企业微信号
微信公众号