鋰離子電池硅基負極的技術挑戰(zhàn)

金 磊，宋廣生

（安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

0 引 言

鋰離子電池由于具有較高的能量密度、環(huán)境污染相對較小等優(yōu)點，廣泛應用于生活的各個方面。目前使用最廣泛的負極材料是硅基復合材料，具有高比容量、安全等優(yōu)點，但同時面臨眾多技術挑戰(zhàn)，尤其是充放電過程中巨大的體積膨脹和脫鋰/嵌鋰過程中形成不穩(wěn)定的SEI膜和較低的ICE，嚴重影響電池的電化學性能和使用壽命。因此，本文將圍繞此話題展開分析并作相應展望。

1 體積膨脹

硅基材料在使用過程中存在近300%的體積膨脹，膨脹過程中會產(chǎn)生巨大應力，嚴重導致電極粉化，使得電池容量迅速衰減。究其原因，主要是電池工作過程中形成的晶態(tài)的鋰硅合金相Li15Si4造成了硅的體積膨脹，導致材料粉化[1]。現(xiàn)有的解決途徑有：硅材料納米化、制造多孔硅以及結(jié)構(gòu)設計。硅顆粒尺寸達到150 nm級時可有效緩解體積膨脹[2]，且可縮短Li+的擴散路徑，促進Li+離子傳輸，有利于改善材料的電化學性能。而多孔硅內(nèi)部具有較多空隙可以包納反應過程中的體積膨脹，且為Li+提供快速遷移的通道，有利于提高材料的倍率性能。結(jié)構(gòu)設計方面提出設計核殼結(jié)構(gòu)[3]、MOF結(jié)構(gòu)[4]以及蛋黃殼結(jié)構(gòu)等。三種途徑在實驗室研究中對體積膨脹以及導電性等改善效果顯著，均能有效緩解此問題。

2 不穩(wěn)定的SEI膜

SEI膜起到隔絕電解液與電極的作用。但是，由于硅基自身的體積膨脹以及Li+不斷的嵌入和脫出等，造成SEI膜層極度不穩(wěn)定，使得硅暴露出新的表面與電解液接觸，因而不斷消耗Li+用以形成新的SEI膜[5-6]而導致較低的首效。穩(wěn)定的SEI膜是保證鋰離子電池使用壽命的前提。必須擁有優(yōu)異的離子導通性和電子絕緣性，才能有效阻止不利副反應的進行[7]。解決此問題的方法有：減小硅基的比表面積、避免硅與電解液較多接觸以及通過無定形碳、石墨烯等碳材料進行包覆。

3 首次庫倫效率低

硅基負極材料普遍面臨首效較低的困擾。首次庫倫效率可衡量鋰離子電池充放電能力的高低，關系著產(chǎn)品能否投入使用。首效過低的原因主要有兩個方面：一方面，由于硅基自身巨大的體積膨脹導致在合金化過程中電極材料粉化，使得大量Li+隨著電極材料一起流失，造成嚴重的不可逆的Li+消耗；另一方面，在低于1 V的工作電壓下，負極表面會形成SEI膜，不穩(wěn)定的SEI膜會在電解液中破壞并形成，導致鋰離子持續(xù)不斷消耗[8-9]，且硅材料表面積過大，使得情況更加嚴重。因此，首效過低的根源在于體積膨脹和不穩(wěn)定的SEI膜，改善它們便可以提高首效。現(xiàn)有提高首效最有效的方法是預鋰化，通過直接補鋰并輔以其他方法使得首效更高。

4 結(jié) 論

硅基材料由于其高比容量成為最佳的鋰離子電池負極材料。通過介紹硅基負極材料普遍存在的三個問題，分析其產(chǎn)生原因及相應的解決途徑。例如，通過結(jié)構(gòu)設計、包覆技術以及預鋰化等方法，明顯提高鋰離子電池的能量密度與循環(huán)性能等。但是，從目前硅基負極的實際情況來看，它還遠遠無法滿足理想的商業(yè)化應用。在未來的研究工作中，需要加大力度實現(xiàn)硅基負極材料應用于實際生產(chǎn)，在解決高比容量和循環(huán)穩(wěn)定性的同時，保證較高的電極載量和振實密度，簡化硅基材料復合技術，探索簡單方便的工藝，滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，使硅基材料能夠成功應用于新能源及其他領域。