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    低成本硅碳負極制備新思路

    發布日期:2020-08-28  來源:高工鋰電網

    核心提示:周向陽指出,商業化正極最高容量在200mAh/g左右,提高負極容量是提高電池能量密度的有效手段。如負極容量提升到1200-1500 mAh g-1,電池能量密度可提升近兩倍。
     高比容量硅碳負極是未來高能鋰離子電池發展的關鍵途徑之一,降低原料硅與碳的制造成本對硅碳負極產業化進程的推進意義重大。
     
    目前,產業正在積極尋找更加簡單的硅原料與碳素負極復合途徑。
     
    會上,中南大學冶金與環境學院教授周向陽做了題為“鋰離子電池硅碳負極材料的低成本制備”的主題演講。
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    周向陽指出,商業化正極最高容量在200mAh/g左右,提高負極容量是提高電池能量密度的有效手段。如負極容量提升到1200-1500 mAh g-1,電池能量密度可提升近兩倍。
     
    硅負極材料的優勢在于,理論比容量高達4200 mAh/g(Li4.4Si);元素豐度高;體積比容量約為碳的12倍;密度(2.33g/cm3)略高于碳(2.25g/cm3);對鋰電位0.4V,高于碳的0.05V,為電池的安全使用創造了條件。
     
    然而劣勢在于導電性差;體積膨脹造成顆粒粉化與脫落;SEI膜的反復破裂與生成。
     
    周向陽表示,針對硅負極特性目前主要的改性手段在于:1、納米化;2、與其他材料符合;3、結構設計。
     
    其中,在Si/C復合體系中,Si顆粒作為活性物質,提供儲鋰容量;C既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化,又能改善Si質材料的導電性,還能避免Si顆粒在充放電循環中發生團聚。
     
    基于此,周向陽的判斷是,硅碳負極材料是未來負極材料的發展重點。
     
    但是值得注意的是,目前硅碳負極制備流程長、設備投入大、存在安全風險,產品性能一致性難保證,產品生產成本高,且高性能碳材料價格較貴。
     
    周向陽突破瓶頸的思路,一是探索微納結構硅材料的低成本研制,包括以天然埃洛石為原料制備硅材料,以人造硅源制備硅材料,以人造硅源制備高電導率硅材料,交聯多孔結構硅材料的制備。
     
    二是研究硅碳負極制備用高性能碳的低成本研制,包括高性價比碳素負極研究方向:原料來自其他行業,利用冶金處理手段制備。
     
    三是硅原料與碳素的復合,包括包覆型硅碳負極、負載/嵌入型硅碳負極和分散型硅碳負極。
     
    周向陽認為,當前較為被看好的硅碳負極并不是單一的追求高比容量,相對而言,硅含量較低、比容量不高,但是循環穩定性好、振實密度大的硅碳復合材料,特別是硅/石墨/碳復合材料具有更好的應用前景。

     
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