锂离子电池负极材料的挑战与硅基负极的潜力

我国锂离子电池负极材料市场规模随着新能源汽车的兴起及锂离子电池等产品的发展增长迅速，目前已有百亿规模。目前商业上能够实现大规模应用的负极材料是石墨，其实际比容量的发挥已接近理论值（372 mAh/g），有限的容量已无法满足市场对高比容量LIBs 的需求。因此，寻求具有更高理论比容量、循环寿命长、安全稳定性高以及生产成本低的 LIBs 负极材料迫在眉睫。而硅基负极作为一种低成本、高容量、低电压平台的下一代热门负极材料，受到非常多的关注。本期┊光子湾┊将会为大家介绍锂离子电池负极材料以及硅基负极的优缺点。

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锂离子电池负极材料

随着便携式电子设备和电动汽车等行业的迅猛发展，对高效能电源的需求急剧增长，锂离子电池（lithium ion batteries，简称LIBs），因其具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命、无记忆效应等优点，成为目前发展最为迅速的储能器件。目前，行业中研究的锂离子电池负极材料种类有很多，如石墨、硬碳和软碳等碳材料，钛酸锂，硅基和锡基材料。下方为这些材料的主要性能参数。

典型负极材料的理化性能和电化学性能

在锂离子电池的充放电循环中，锂离子在负极材料中反复经历嵌入和脱出过程，伴随电化学氧化/还原反应。为确保电池的优异电化学性能，负极材料通常需满足以下条件：

• 锂离子嵌入和脱出时电压较低，使电池具有高工作电压

• 质量比容量和体积比容量较高，使电池具有高能量密度

• 主体结构稳定，表面形成固体电解质界面(SEI)膜稳定，使电池具有良好循环性能

• 表面积小，不可逆损失小，使电池具有高充放电效率

• 具有良好的离子和电子导电能力，有利于减小极化，使电池具有大功率特性和容量

• 浆料制备容易、压实密度高、反弹小，具有良好加工性能

• 安全性能好，使电池具有良好安全性能

具有价格低廉和环境友好等特点

Part.02

硅基负极

硅基负极由于其高理论比容量被视为是继石墨之后最具发展前景的负极材料。其独特的优点包括：

• 理论比容量高，Si完全锂化至Li4.4Si时理论比容量可达到4200mAh/g（约为石墨的10倍）；

• 工作电压合适（约0.2～0.3Vvs.Li/Li+），可直接与商用正极材料（如LiCoO2、镍钴锰三元材料等）匹配制作全电池；

天然资源丰富、价格低廉及环保等。

尽管硅基负极有许多优点，但同样也存在一些问题限制了其商业化的应用。硅基负极的储锂机制为合金化反应机制，锂化过程中硅材料会发生严重的体积膨胀。在电池工作过程中，反复的体积变化会导致电极材料的结构崩溃、固体电解质界面（ solidelectrolyte interphase，SEI）的反复形成，造成活性Li+的不可逆损耗和容量的快速衰减，从而使得硅基LIBs 的首次库伦效率和循环寿命降低。

Si基负极失效机理

为了解决以上问题，研究者们做了大量的工作，包括：

• 对硅基材料进行结构设计与改性，缩短Li+传输距离，增强材料导电性与稳定性，提高Li+的利用率；

• 研发具有足够粘接力的粘结剂，保持循环过程中硅与集流体之间的良好电子传输，实现稳固的电极结构；

开发可以改善循环性能的电解液添加剂等策略，在电极表面提前成膜形成功能性SEI以改善负极/电解液界面不稳定问题。

硅基负极改性策略

随着对硅基负极材料研究的不断深入，我们有理由相信，硅基负极材料将克服现有挑战，成为锂离子电池负极材料的下一个重要选择。其高理论比容量、适宜的工作电压和丰富的自然资源，使其在能源存储领域具有巨大的应用潜力。未来，随着技术的进一步发展和成本的降低，硅基负极材料有望在锂离子电池市场中占据重要地位，推动能源存储技术向前发展。无论是在材料科学的最新突破，还是在锂电领域的深入研究，光子湾科技都扮演着至关重要的角色，以满足市场对高性能锂离子电池的迫切需求。

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