根據(jù)中國汽車動(dòng)力電池發(fā)展路線的規(guī)劃要求，至2015年動(dòng)力電池模塊的能量密度達(dá)到150Wh/kg(單體在170~190Wh/kg)至2020年動(dòng)力電池模塊的能量密度達(dá)到250Wh/kg(單體在300Wh/kg以上)以現(xiàn)有的材料體系已經(jīng)無法滿足未來發(fā)展的需求了，所以必須要發(fā)展高能量密度的電極材料。從改善負(fù)極的角度來看發(fā)展硅基材料體系是個(gè)不錯(cuò)的方向。

圖1 石墨負(fù)極和Si負(fù)極的脫鋰嵌鋰機(jī)理

硅在常溫下可與鋰合金化，生成Li15Si4相，理論比容量高達(dá)3572mA·h/g，遠(yuǎn)高于商業(yè)化石墨理論比容量(372mA·h/g)，在地殼元素中儲(chǔ)量豐富(26.4%，第2位)，成本低、環(huán)境友好，因而硅負(fù)極材料一直備受科研人員關(guān)注，筆者認(rèn)為其是最具潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。

最突出的問題是硅在反應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)體積效應(yīng)。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明嵌鋰和脫鋰引起的體積變化率是320%。在材料設(shè)計(jì)時(shí)必需要考慮大的體積變化問題。高體積容量的材料在局部會(huì)產(chǎn)生力學(xué)上的問題，通過一系列的基礎(chǔ)研究證明，它會(huì)裂開，形成嚴(yán)重的脫落。

大的膨脹導(dǎo)致的結(jié)果就是：

1.顆粒裂開、粉化，循環(huán)性能差

2. 活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑粘結(jié)劑接觸差

3. 表面SEI重復(fù)生長，不停消耗電解液和Li源，循環(huán)變差

從長期的基礎(chǔ)研究來看，①通過硅粉納米化;②硅碳包覆;等技術(shù)手段可以有效解決硅在鋰電池負(fù)極應(yīng)用中遇到的問題。無論是納米硅碳還是氧化亞硅碳，硅力求做到以下幾點(diǎn)：

硅粒徑：<20nm(理論上越小越好)

均勻度：標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5nm

純度：>99.95%

形貌：100%球形率

目前應(yīng)用相對(duì)成熟的是將納米化、惰性緩沖以及表面包覆技術(shù)相結(jié)合。

硅碳復(fù)合負(fù)極材料采用就是核殼結(jié)構(gòu)，通過以球形人造或者天然石墨為基底，在石墨表面釘扎一層Si納米顆粒，再在其外表包覆一層無定形碳或石墨烯。碳包覆機(jī)理在于：Si的體積膨脹由石墨和無定形包覆層共同承擔(dān)，避免負(fù)極材料在嵌脫鋰過程因巨大的體積變化和應(yīng)力而粉化。碳包覆的作用是：

(1)約束和緩沖活性中心的體積膨脹

(2)阻止納米活性粒子的團(tuán)聚

(3)阻止電解液向中心滲透，保持穩(wěn)定的界面和SEI

(4)硅材料貢獻(xiàn)高比容量，碳材料貢獻(xiàn)高導(dǎo)電性

保持電極結(jié)構(gòu)的完整：開發(fā)合適的粘結(jié)劑

目前主要使用的是CMC，PI(聚酰亞胺)，PAA(聚丙烯酸),PVA(聚乙烯醇),Alg(海藻酸鈉)體系的粘結(jié)劑，相對(duì)于PVDF粘結(jié)劑以上這些主要是具有羧基基團(tuán)(-COOH)能與Si材料表面羥基(-OH)發(fā)生縮合反應(yīng)。

建立穩(wěn)定的固液界面：開發(fā)合適的電解液

1. VC 添加劑對(duì)形成厚的SEI 層良好的協(xié)同效應(yīng)。

2. 添加丁二酸酐(SA) 或 FEC及硅氧烷也可提高循環(huán)性能。

3. 使用流體電解液LiTFSI或固態(tài)電解質(zhì)對(duì)界面的改善。

表2 比克圓柱電池roadmap

總的來講目前SiC負(fù)極的應(yīng)用還沒有普及，主要原因如下：

1.供應(yīng)端方面，由于硅碳負(fù)極的價(jià)格非常高，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境的要求也非常高，短期內(nèi)產(chǎn)能很難得到釋放。

2.應(yīng)用端方面，與硅碳負(fù)極相匹配的電解液和正極材料體系還不成熟，硅碳負(fù)極的大規(guī)模應(yīng)用也比較困難。

目前國內(nèi)包括國軒高科、寧德時(shí)代、比克電池、比亞迪、天津力神等都已經(jīng)開始布局相關(guān)產(chǎn)品，但是真正量產(chǎn)應(yīng)用的主要在18650產(chǎn)品上，且都是數(shù)碼電池。預(yù)計(jì)到2020年后，隨著國內(nèi)方型鋰電池逐漸開始使用硅碳負(fù)極，硅碳負(fù)極的市場(chǎng)需求才會(huì)快速增長。