加拿大發現硅納米粒子可使鋰電池蓄電能力提高10倍

硅材料因儲量豐富，而當Si與Li形成Li4.4Si結構時，理論比容量可以達到4200mAh/g，比目前再鋰電池中廣泛使用的石墨能吸收近十倍的鋰離子，因此被認為具有制造大容量電池的前景。當然如此高的容量還沒能實際應用在電池上有其缺陷，充電狀態的Si負極體積膨脹可以達到原體積的3倍，這成為了阻攔在Si負極應用路上的障礙。
據了解，目前硅材料在鋰離子電池中的應用，主要涉及兩方面，一是在負極材料中加入納米硅，形成硅碳負極；二是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質，目前常見在科技雜志上的主要是集中在硅負極材料。

阿爾伯塔大學創建新一代硅基鋰電池

近日，加拿大阿爾伯塔大學化學家布里亞克(Jillian Buriak)團隊發現將硅塑造成納米級的顆粒有助于防止它破裂。

納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點，且無毒、無味。納米硅的應用領域廣泛：除了可用于制造耐高溫涂層和耐火材料，與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復合材料，用做切削刀具外，還可以與石墨材料組成硅碳復合材料，作為鋰離子電池的負極材料，大幅提高鋰離子電池的容量;可與有機物反應，作為有機硅高分子材料的原料。
該團隊研究測試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，確定多大的尺寸才能大限度地發揮硅的優點，同時大限度地減少其缺點。它們均勻分布在由具有納米孔徑的碳制成的高導電性石墨烯氣凝膠中，以彌補硅的低導電性。
他們發現，最小的顆粒(直徑僅為30億分之一米)在多次充放電循環后表現出的長期穩定性。這克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發現可能導致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍，朝著制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關鍵的一步。此項研究成果發表在《材料化學》雜志上。
這項研究有廣闊的應用前景，特別是在電動汽車領域，可以使其行駛里程更遠，充電速度更快，電池重量更輕。下一步是開發一種更快、更便宜的方法來制造硅納米顆粒，使其更容易運用在工業生產上。
鋰電產業鏈布局百億硅負極市場
除了科研機構外，在政策的鼓勵和引導下，也有不少企業對硅基負極材料進行了研發儲備。國家工信部等四部委發布的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》中提出，到2020年我國新型鋰離子動力電池單體比能量超300Wh／kg，到2025年單體比能量達500Wh／kg。

而傳統的石墨材料負極已接近天花板，因此，要發展高能量密度，正極采用高鎳三元材料，而負極使用硅碳負極材料將成為動力電池市場的主流。據統計數據表明，2018年國內硅碳復合材料用量在2500噸左右，同比增長約一倍。據OFweek鋰電網預測，2025年國內硅碳負極材料市場空間將達百億。

2018年，在國家研發計劃“新能源汽車”專項支持下，力神電池項目團隊在NCA正極材料研究基礎上，研制出容量高、循環穩定性的硅碳負極材料，并開發出單體比能量達303Wh／Kg的電芯。今年1月，國軒高科在投資者交流互動平臺表示，其制備的高鎳NCM 811三元軟包樣品已于近期通過科技部的中期檢查，能量密度達302 Wh／kg，負極采用硅碳材料。在前不久，中國科學院院士歐陽明高介紹，寧德時代開發的高鎳三元正極和硅碳負極電池的比能量已經達到304Wh／kg，今年將投放市場。
此外，比克動力、微宏動力、萬向A123等電池企業正在加快硅碳負極體系的研發和試生產。貝特瑞的碳硅負極，打入了特斯拉的供應鏈，為松下的動力電池電芯配套部分負極材料；杉杉股份、江西紫宸等具備了小量試產能力……國內鋰電產業鏈也在積極布局含硅負極材料。事實上，從能量密度來看，300 Wh／kg左右的能量密度只發揮了硅基材料很小的作用，而且國內進入硅負極材料的研發領域稍落后于國外。硅碳材料早先是在日韓企業中應用較多，松下和三星的產品都有成熟應用。據悉，日本松下目前已實現硅碳負極材料的電池量產；日本湯淺電池、日立麥克賽爾、日本三井金屬等企業也已有成熟的電池方案……
編輯點評

除了在新能源汽車領域外，在儲能領域、航空航天、船舶艦艇等領域都需要更高能量密度和功率密度的鋰離子電池，正極采用高鎳三元材料已成主流選擇，而硅及其復合材料也是目前有開發潛力的負極材料，也許用不了多久，采用硅作為負極材料的鋰電池將在新能源汽車上提供更長的續航能力。（文章來源：新三板研究院，如有侵權請聯系客服刪除）

上海超威經過多年的激光離子束氣相法生產納米硅粉的工藝調整和市場硅碳負極材料對納米硅粉的需求完善，已經成功地把納米硅顆粒應用到鋰電池硅碳負極材料中，上海超威計劃于2019-2020年穩定供應200噸納米硅顆粒，應用于鋰電池硅碳負極材料中。