Aplicación de materiales de electrodos negativos a base de silicio en baterías de iones de litio

Con el vigoroso desarrollo de los vehículos de nueva energía, el almacenamiento de energía y otros mercados, el tamaño del mercado y el nivel técnico de las baterías de litio y los materiales de electrodos negativos siguen mejorando. En la actualidad, la capacidad específica de los materiales de electrodos negativos de grafito comerciales está cerca de la capacidad específica teórica de los materiales de grafito, y la aplicación comercial de los materiales de electrodos negativos a base de silicio se ha acelerado aún más.

Los materiales de electrodos negativos a base de silicio se han convertido en un punto de interés en la investigación de los materiales de electrodos negativos de baterías de iones de litio debido a su capacidad específica teórica extremadamente alta. La capacidad específica teórica de los materiales de electrodos negativos de silicio es mucho mayor que la de los materiales de electrodos negativos de grafito comerciales, y el voltaje de trabajo es moderado, lo que hace que los materiales de electrodos negativos a base de silicio tengan ventajas significativas para mejorar la densidad energética de la batería. Sin embargo, la expansión y contracción del volumen del silicio durante la carga y descarga es demasiado grande, lo que da como resultado el agrietamiento y la fragmentación del material, así como el engrosamiento continuo de la película SEI, lo que afecta gravemente la estabilidad del ciclo y el rendimiento de la velocidad de la batería.

Para solucionar los defectos de los materiales de electrodos negativos a base de silicio en aplicaciones de baterías de iones de litio, los investigadores han propuesto una variedad de rutas técnicas, que incluyen nanotecnología, tecnología de materiales compuestos, diseño estructural, modificación de superficies, optimización de electrolitos, pre-litiación, silicio poroso y silicio de aleación, etc.

Estas rutas técnicas cubren todas las etapas desde la investigación de laboratorio hasta la aplicación industrial, aliviando el problema de expansión de volumen mediante nanodimensionamiento y tecnología de materiales compuestos, mejorando la conductividad y la estabilidad mediante diseño estructural y modificación de superficies, y mejorando el rendimiento general de la batería mediante la optimización del sistema de electrolitos. La tecnología de pre-litiación puede mejorar la eficiencia coulombiana inicial, la estructura de silicio poroso ayuda a aliviar los cambios de volumen y el silicio de aleación puede proporcionar mayor capacidad y estabilidad. Se espera que la aplicación integral de estas rutas técnicas logre materiales de electrodos negativos a base de silicio de alto rendimiento, larga vida útil y bajo costo, y promueva su amplia popularidad en aplicaciones prácticas.

En la actualidad, los materiales de silicio-carbono y los materiales de silicio-oxígeno son las dos principales rutas técnicas para los electrodos negativos a base de silicio.

Entre ellos, los materiales de electrodos negativos de silicio-carbono son conocidos por su alta eficiencia de primera coulombiana, pero su ciclo de vida necesita ser mejorado. Al realizar el nano-dimensionamiento de los materiales de silicio, se pueden reducir los problemas de expansión y rotura generados durante el proceso de carga y descarga, mejorando así aún más su ciclo de vida. En términos relativos, la principal ventaja de los materiales de electrodos negativos de silicio-oxígeno es su excelente estabilidad de ciclo, aunque la primera eficiencia es baja. Sin embargo, al adoptar medios técnicos como la pre-litiación, su primera eficiencia puede mejorarse de manera efectiva.

En términos de aplicaciones comerciales, actualmente, las principales aplicaciones comerciales de los materiales de electrodos negativos a base de silicio incluyen óxido de silicio recubierto de carbono, nano-carbono de silicio, nanocables de silicio y aleaciones de silicio amorfo. Entre ellos, el óxido de silicio recubierto de carbono y el nano-carbono de silicio tienen el mayor grado de comercialización, y generalmente se mezclan con grafito en una proporción del 5%-10%. En los últimos años, los materiales de electrodos negativos a base de silicio se están industrializando gradualmente.

En el campo de las baterías de estado sólido, los materiales de electrodos negativos a base de silicio se consideran una de las direcciones de desarrollo clave de los materiales de electrodos negativos de baterías de estado sólido debido a su alta densidad de energía teórica, excelente rendimiento de carga y descarga rápida y excelente rendimiento de seguridad.