低成本高性能锂电池硅碳负极材料

锂离子电池负极材料将向高比容量、高充放电效率、高循环性能和低成本的方向发展，石墨材料将无法满足未来锂离子电池在电动汽车行业和储能领域的高比容量需求，N. Nitta等归纳了目前已证明的具有载锂能力的元素及比容量，其中，元素 Si 备受青睐。C.J. Wen等发现，Si和Li在415℃条件下，可生成Li₁₂Si₇、Li₇Si₃、Li₁₃Si₄和Li₂₂Si₅等中间化合物相。Si的理论比容量最高可达4200mAh/g（对应Li₂₂Si₅），是石墨材料的10倍多。此外，Si的嵌锂电位高于石墨，地壳中含量丰富、成本低、无毒，且化学性质稳定，是一种理想的锂离子电池负极材料，应用前景良好。

硅的嵌锂电位约为<0.5V（vs. Li/Li⁺），在充放电过程中硅表面不容易析锂，从而提高电池的安全性，随着用户对锂电池高容量、高倍率等性能要求逐步提高，硅基负极增长确定性强，未来几年将替代部分天然石墨市场份额。但是，硅嵌锂产生巨大体积膨胀、硅导电性差、锂离子迁移率低等瓶颈严重阻碍了硅作为锂电池负极的推广应用。

众多科研人员对如何解决硅基负极最严重的缺陷，即循环过程中体积膨胀的问题展开了研究和探讨。

Si作为负极材料在循环过程中与Li之间形成合金，在这个过程中，Si-Si键变为Li-Si键，在去合金化过程中又重新回到Si-Si键，Si-Si键的键长远小于Li-Si键的键长，因此在多次循环充放电过程中，不断发生两种键长的周期性变化，从而使其体积膨胀、收缩现象循环往复。 

为了解决上述问题和挑战，使硅基负极材料获得良好的储锂性能，科研人员提出了各种方法和思路，主要有以下两种方法： 

1、硅颗粒纳米化

纳米级别的硅作为负极比大颗粒的硅作为负极更耐断裂。一般来说，在变形的过程中，较小的硅纳米颗粒在内部积蓄的应力不足以产生裂纹，即裂纹增长需要的应力大于纳米硅颗粒体积变化产生的应力。因此，对硅颗粒进行结构设计，如纳米颗粒、纳米片和纳米多孔结构，被认为是一种缓解硅负极巨大体积膨胀的有效方法。

2、硅与碳材料复合 

研究人员开发出了各种碳材料和Si的复合材料，碳材料具有良好的导电性，能够弥补硅独立作为电极活性物质时导电性不佳的缺陷；同时碳材料对硅进行包覆，有效缓解了硅膨胀的问题；在碳层上形成稳定而较薄的SEI膜，可以改善硅电极SEI膜破碎重组的情况。硅碳复合材料电化学性能的提高不仅源于碳的优异性能，也与合理的结构设计和多组分之间的协同效应密切相关。目前主流的研究方向有核壳结构、蛋黄核壳结构、中空结构、硅石墨烯纳米片等。 

厦门大学能源学院郑淞生副教授课题组基于行业痛点，采用低成本微米硅为原料，耦合低成本工艺技术，成功生产出了高性能的硅碳负极材料。

2024年10月29-31日在上海跨国采购会展中心，由北京粉体技术协会与柏德英思展览(上海)有限公司联合主办2024硅基负极材料技术与产业研讨会暨第三届先进负极材料技术与产业高峰论坛。届时来自厦门大学能源学院的副教授/博导郑淞生将作题为《低成本高性能锂电池硅碳负极材料》的报告。报告主讲人将介绍其团队采用低成本微米硅为原料，耦合低成本工艺技术，成功生产出高性能的硅碳负极材料的方法。   

专家简介：

郑淞生，现任厦门大学能源学院副教授/副所长,博士生导师，研究方向为能源材料与能源装备，包括电池材料（锂电池、氢燃料电池、太阳能电池）、氢氨能源材料与装备相关研究，特别擅长相关的硅碳材料，如锂电池的硅碳负极材料、氢燃料电池的硅碳离子扩散隔膜和双极板、功能掺杂硅碳，以及稀土掺杂发光材料等。至今主持或参加14 项项目，包括国家自然科学基金项目、福建省重大科技专项、企业的产业化合作项目等。发表英文学术论文30多篇，申请专利40多项，其中，已授权发明专利18项，授权实用新型专利9项。

参考来源：

史傲迪，郑淞生等.冶金法制备低成本锂离子电池Cu-Si负极 

隋林秀.锂离子电池硅碳负极材料的制备及其储锂性能研究

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