矽材料因儲量豐富，而當Si與Li形成Li4.4Si結構時，理(lǐ)論比容量可(kě)以達到4200mAh/g，比目前再锂電(diàn)池中(zhōng)使用(yòng)的石墨能(néng)吸收近十倍的锂離子，因此被認為(wèi)具(jù)有(yǒu)制造大容量電(diàn)池的前景。當然如此高的容量還沒能(néng)實際應用(yòng)在電(diàn)池上有(yǒu)其缺陷，充電(diàn)狀态的Si負極體(tǐ)積膨脹可(kě)以達到原體(tǐ)積的3倍，這成為(wèi)了阻攔在Si負極應用(yòng)路上的障礙。
據了解，目前矽材料在锂離子電(diàn)池中(zhōng)的應用(yòng)，主要涉及兩方面，一是在負極材料中(zhōng)加入納米矽，形成矽碳負極；二是在電(diàn)解液中(zhōng)加入有(yǒu)機矽化合物(wù)，改善電(diàn)解液的性質(zhì)，目前常見在科(kē)技(jì )雜志(zhì)上的主要是集中(zhōng)在矽負極材料。

阿爾伯塔大學(xué)創建新(xīn)一代矽基锂電(diàn)池

近日，加拿(ná)大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)家布裏亞克(Jillian Buriak)團隊發現将矽塑造成納米級的顆粒有(yǒu)助于防止它破裂。

納米矽，指的是直徑小(xiǎo)于5納米的晶體(tǐ)矽顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料。納米矽粉具(jù)有(yǒu)純度高、粒徑小(xiǎo)、分(fēn)布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝(zhuāng)密度低等特點，且無毒、無味。納米矽的應用(yòng)領域廣：除了可(kě)用(yòng)于制造耐高溫塗層和耐火材料，與金剛石高壓下混合形成碳化矽-金剛石複合材料，用(yòng)做切削刀(dāo)具(jù)外，還可(kě)以與石墨材料組成矽碳複合材料，作(zuò)為(wèi)锂離子電(diàn)池的負極材料，大幅提高锂離子電(diàn)池的容量;可(kě)與有(yǒu)機物(wù)反應，作(zuò)為(wèi)有(yǒu)機矽高分(fēn)子材料的原料。
該團隊研究測試了四種不同尺寸的矽納米顆粒，确定多(duō)大的尺寸才能(néng)大限度地發揮矽的優點，同時大限度地減少其缺點。它們均勻分(fēn)布在由具(jù)有(yǒu)納米孔徑的碳制成的高導電(diàn)性石墨烯氣凝膠中(zhōng)，以彌補矽的低導電(diàn)性。
他(tā)們發現，很(hěn)小(xiǎo)的顆粒(直徑隻為(wèi)30億分(fēn)之一米)在多(duō)次充放電(diàn)循環後表現出比較好的長(cháng)期穩定性。這克服了在锂離子電(diàn)池中(zhōng)使用(yòng)矽的限制。這一發現可(kě)能(néng)導緻新(xīn)一代電(diàn)池的容量是目前锂離子電(diàn)池的10倍，朝着制造新(xīn)一代矽基锂離子電(diàn)池邁出了關鍵的一步。此項研究成果發表在《材料化學(xué)》雜志(zhì)上。
這項研究有(yǒu)廣闊的應用(yòng)前景，特别是在電(diàn)動汽車(chē)領域，可(kě)以使其行駛裏程更遠(yuǎn)，充電(diàn)速度更快，電(diàn)池重量更輕。下一步是開發一種更快、更便宜的方法來制造矽納米顆粒，使其更容易運用(yòng)在工(gōng)業生産(chǎn)上。
锂電(diàn)産(chǎn)業鏈布局百億矽負極市場
除了科(kē)研機構外，在政策的鼓勵和引導下，也有(yǒu)不少企業對矽基負極材料進行了研發儲備。國(guó)家工(gōng)信部等四部委發布的《促進汽車(chē)動力電(diàn)池産(chǎn)業發展行動方案》中(zhōng)提出，到2020年我國(guó)新(xīn)型锂離子動力電(diàn)池單體(tǐ)比能(néng)量超300Wh／kg，到2025年單體(tǐ)比能(néng)量達500Wh／kg。

而傳統的石墨材料負極已接近天花(huā)闆，因此，要發展高能(néng)量密度，正極采用(yòng)高鎳三元材料，而負極使用(yòng)矽碳負極材料将成為(wèi)動力電(diàn)池市場的主流。據統計數據表明，2018年國(guó)内矽碳複合材料用(yòng)量在2500噸左右，同比增長(cháng)約一倍。據OFweek锂電(diàn)網預測，2025年國(guó)内矽碳負極材料市場空間将達百億。

2018年，在國(guó)家重點研發計劃“新(xīn)能(néng)源汽車(chē)”重點專項支持下，力神電(diàn)池項目團隊在NCA正極材料研究基礎上，研制出容量高、循環穩定性的矽碳負極材料，并開發出單體(tǐ)比能(néng)量達303Wh／Kg的電(diàn)芯。今年1月，國(guó)軒高科(kē)在投資者交流互動平台表示，其制備的高鎳NCM 811三元軟包樣品已于近期通過科(kē)技(jì )部的中(zhōng)期檢查，能(néng)量密度達302 Wh／kg，負極采用(yòng)矽碳材料。在前不久，中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)院院士歐陽明高介紹，甯德(dé)時期開發的高鎳三元正極和矽碳負極電(diàn)池的比能(néng)量已經達到304Wh／kg，今年将投放市場。
此外，比克動力、微宏動力、萬向A123等電(diàn)池企業正在加快矽碳負極體(tǐ)系的研發和試生産(chǎn)。貝特瑞的碳矽負極，打入了特斯拉的供應鏈，為(wèi)松下的動力電(diàn)池電(diàn)芯配套部分(fēn)負極材料；杉杉股份、江西紫宸等具(jù)備了小(xiǎo)量試産(chǎn)能(néng)力……國(guó)内锂電(diàn)産(chǎn)業鏈也在積極布局含矽負極材料。事實上，從能(néng)量密度來看，300 Wh／kg左右的能(néng)量密度隻發揮了矽基材料很(hěn)小(xiǎo)的作(zuò)用(yòng)，而且國(guó)内進入矽負極材料的研發領域稍落後于國(guó)外。矽碳材料早先是在日韓企業中(zhōng)應用(yòng)較多(duō)，松下和三星的産(chǎn)品都有(yǒu)成熟應用(yòng)。據悉，日本松下目前已實現矽碳負極材料的電(diàn)池量産(chǎn)；日本湯淺電(diàn)池、日立麥克賽爾、日本三井金屬等企業也已有(yǒu)成熟的電(diàn)池方案……
編輯點評

除了在新(xīn)能(néng)源汽車(chē)領域外，在儲能(néng)領域、航空航天、船舶艦艇等領域都需要更高能(néng)量密度和功率密度的锂離子電(diàn)池，正極采用(yòng)高鎳三元材料已成主流選擇，而矽及其複合材料也是目前很(hěn)有(yǒu)開發潛力的負極材料，也許用(yòng)不了多(duō)久，采用(yòng)矽作(zuò)為(wèi)負極材料的锂電(diàn)池将在新(xīn)能(néng)源汽車(chē)上提供更長(cháng)的續航能(néng)力。（文(wén)章來源：新(xīn)三闆研究院，如有(yǒu)侵權請聯系客服删除）

上海超威經過多(duō)年的激光離子束氣相法生産(chǎn)納米矽粉的工(gōng)藝調整和市場矽碳負極材料對納米矽粉的需求完善，已經成功地把納米矽顆粒應用(yòng)到锂電(diàn)池矽碳負極材料中(zhōng)，上海超威計劃于2019-2020年穩定供應200噸納米矽顆粒，應用(yòng)于锂電(diàn)池矽碳負極材料中(zhōng)。

納米矽粉SEM電(diàn)鏡圖

納米矽粉ICP元素含量