硅材料在锂电池中的应用

随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，目前的材料体系明显已无法满足现实需求，研发新型高能量高性能材料迫在眉睫。目前，硅基材料已成为电池企业和锂电材料商改善负极的最优先选择。现状是发展大部分材料商都展开了对硅碳复合材料做负极材料的研究和生产，目前只有贝特瑞和上海杉杉已进入中试量产阶段，大多数材料商仍处于研发之中。

硅碳负极产业化进行时

国内前几大负极材料生产厂商陆续对硅碳负极材料进行布局，深圳贝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳负极材料产品，上海杉杉正处于硅碳负极材料产业化进程中，星城石墨已将硅碳新型负极材料作为未来产品研发方向。此外，电池企业中，BYD、CATL、国轩、力神、万向、微宏等都展开了对硅碳负极体系的研发和试生产。

从目前已产品化的硅碳负极材料性能来看，相比于石墨负极材料而言，最大的优势在于比容量的提升。硅碳负极材料的最低比容量一般都超过石墨负极材料的理论比容量，贝特瑞的S1000型号硅碳负极材料的比容量更是高达1050mAh/g，尽管离硅的理论比容量4200 mAh/g仍有较大差距，但已经是人造石墨负极材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。此外，硅碳负极材料的首次效率能达到90%以上，满足应用的要求，其他各项指标也不亚于石墨负极材料。

硅负极的优势在哪里

石墨的理论能量密度是372 mAh/g，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200mAh/g，而且还具有环境友好、储量丰富等特点， 通过在石墨材料加入硅来提升电池能量密度已是业界公认的方向之一，日韩等大电芯厂商都在做硅碳负极电池的商业化，包括比亚迪、力神、比克、万向等国内电池厂商也在跟踪，但是至目前为止还没有看到量产的产品。特斯拉采用的松下18650电池此次在传统石墨负极材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上，特斯拉采用的松下18650电池此次在传统石墨负极材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上。

硅材料在锂电池的应用

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。

(一)纳米硅：锂电负极材料的重要成员

纳米硅，指的是直径小于5纳米的晶体硅颗粒，是一种重要的非金属无定形材料，常由溶胶凝胶法等方法制备而成。纳米硅粉具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低等特点，且无毒、无味。 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，这是我们关注的重点;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。

(二)有机硅：锂电电解液的功能添加剂

有机硅，是一类人工合成的，结构上以硅原子和氧原子为主链的一种高分子聚合物。由于构成主链的硅-氧结构具有较强的化学键结，因此有机硅高聚物的分子比一般有机高聚物对热、氧稳定得多。 有机硅独特的结构，使其兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。

尽管有机硅在室温下的力学性能与其它材料差异不大，但其在高温及低温下的物理、力学性能表现卓越，温度在-60到+250℃多次交变而其性能不受影响，故有机硅高聚物可在这个温度区域内长期使用，有些有机硅高聚物甚至能在低至-100℃下正常使用。

硅负极材料的缺点

硅负极材料的缺点也相当明显，主要有两大缺点：①硅在锂离子嵌入脱嵌过程中，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。