Применение материалов отрицательных электродов на основе кремния в литий-ионных аккумуляторах
С бурным развитием новых энергетических транспортных средств, накопителей энергии и других рынков, размер рынка и технический уровень литиевых батарей и материалов отрицательных электродов продолжают улучшаться. В настоящее время удельная емкость коммерческих графитовых материалов отрицательных электродов близка к теоретической удельной емкости графитовых материалов, а коммерческое применение материалов отрицательных электродов на основе кремния еще больше ускорилось.
Материалы отрицательных электродов на основе кремния стали горячей точкой в исследовании материалов отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов из-за их чрезвычайно высокой теоретической удельной емкости. Теоретическая удельная емкость кремниевых материалов отрицательных электродов намного выше, чем у коммерческих графитовых материалов отрицательных электродов, а рабочее напряжение умеренное, что делает материалы отрицательных электродов на основе кремния значительными преимуществами в повышении плотности энергии батареи. Однако объемное расширение и сжатие кремния во время зарядки и разрядки слишком велико, что приводит к растрескиванию и фрагментации материала, а также к постоянному утолщению пленки SEI, что серьезно влияет на стабильность цикла и скоростные характеристики батареи.
Для устранения дефектов материалов отрицательного электрода на основе кремния в литий-ионных аккумуляторах исследователи предложили ряд технических путей, включая нанотехнологии, технологию композитных материалов, структурное проектирование, модификацию поверхности, оптимизацию электролита, предварительное литирование, пористый кремний и сплав кремния и т. д.
Эти технические пути охватывают все этапы от лабораторных исследований до промышленного применения, смягчая проблему расширения объема с помощью технологии наноразмеров и композитных материалов, улучшая проводимость и стабильность с помощью структурного проектирования и модификации поверхности и повышая общую производительность батареи путем оптимизации системы электролита. Технология предварительного литирования может улучшить начальную кулоновскую эффективность, пористая структура кремния помогает смягчить изменения объема, а сплав кремния может обеспечить более высокую емкость и стабильность. Ожидается, что комплексное применение этих технических путей позволит достичь высокопроизводительных, долговечных и недорогих материалов отрицательного электрода на основе кремния и будет способствовать их широкой популярности в практических приложениях.
В настоящее время кремний-углеродные материалы и кремний-кислородные материалы являются двумя основными техническими путями для отрицательных электродов на основе кремния.
Среди них кремний-углеродные отрицательные электродные материалы известны своей высокой первой кулоновской эффективностью, но их циклический ресурс необходимо улучшить. Реализуя наноразмеры кремниевых материалов, можно уменьшить проблемы расширения и разрушения, возникающие во время процесса зарядки и разрядки, тем самым еще больше увеличивая их циклический ресурс. Условно говоря, основным преимуществом кремний-кислородных отрицательных электродных материалов является их превосходная циклическая стабильность, хотя первая эффективность низкая. Однако, принимая технические средства, такие как предварительное литирование, их первая эффективность может быть эффективно улучшена.
С точки зрения коммерческих применений, в настоящее время основные коммерческие применения кремниевых отрицательных электродных материалов включают углеродный оксид кремния, нанокремниевый углерод, кремниевые нанопровода и аморфные кремниевые сплавы. Среди них углеродный оксид кремния и нанокремниевый углерод имеют самую высокую степень коммерциализации, и они обычно смешиваются с графитом в соотношении 5%-10%. В последние годы кремниевые отрицательные электродные материалы постепенно индустриализируются.
В области твердотельных аккумуляторов материалы для отрицательных электродов на основе кремния считаются одним из ключевых направлений разработки материалов для твердотельных аккумуляторов из-за их высокой теоретической плотности энергии, превосходных характеристик быстрой зарядки и разрядки, а также отличных показателей безопасности.