锂离子电池硅基负极的技术挑战

金 磊，宋广生

（安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002）

0 引 言

锂离子电池由于具有较高的能量密度、环境污染相对较小等优点，广泛应用于生活的各个方面。目前使用最广泛的负极材料是硅基复合材料，具有高比容量、安全等优点，但同时面临众多技术挑战，尤其是充放电过程中巨大的体积膨胀和脱锂/嵌锂过程中形成不稳定的SEI膜和较低的ICE，严重影响电池的电化学性能和使用寿命。因此，本文将围绕此话题展开分析并作相应展望。

1 体积膨胀

硅基材料在使用过程中存在近300%的体积膨胀，膨胀过程中会产生巨大应力，严重导致电极粉化，使得电池容量迅速衰减。究其原因，主要是电池工作过程中形成的晶态的锂硅合金相Li15Si4造成了硅的体积膨胀，导致材料粉化[1]。现有的解决途径有：硅材料纳米化、制造多孔硅以及结构设计。硅颗粒尺寸达到150 nm级时可有效缓解体积膨胀[2]，且可缩短Li+的扩散路径，促进Li+离子传输，有利于改善材料的电化学性能。而多孔硅内部具有较多空隙可以包纳反应过程中的体积膨胀，且为Li+提供快速迁移的通道，有利于提高材料的倍率性能。结构设计方面提出设计核壳结构[3]、MOF结构[4]以及蛋黄壳结构等。三种途径在实验室研究中对体积膨胀以及导电性等改善效果显著，均能有效缓解此问题。

2 不稳定的SEI膜

SEI膜起到隔绝电解液与电极的作用。但是，由于硅基自身的体积膨胀以及Li+不断的嵌入和脱出等，造成SEI膜层极度不稳定，使得硅暴露出新的表面与电解液接触，因而不断消耗Li+用以形成新的SEI膜[5-6]而导致较低的首效。稳定的SEI膜是保证锂离子电池使用寿命的前提。必须拥有优异的离子导通性和电子绝缘性，才能有效阻止不利副反应的进行[7]。解决此问题的方法有：减小硅基的比表面积、避免硅与电解液较多接触以及通过无定形碳、石墨烯等碳材料进行包覆。

3 首次库伦效率低

硅基负极材料普遍面临首效较低的困扰。首次库伦效率可衡量锂离子电池充放电能力的高低，关系着产品能否投入使用。首效过低的原因主要有两个方面：一方面，由于硅基自身巨大的体积膨胀导致在合金化过程中电极材料粉化，使得大量Li+随着电极材料一起流失，造成严重的不可逆的Li+消耗；另一方面，在低于1 V的工作电压下，负极表面会形成SEI膜，不稳定的SEI膜会在电解液中破坏并形成，导致锂离子持续不断消耗[8-9]，且硅材料表面积过大，使得情况更加严重。因此，首效过低的根源在于体积膨胀和不稳定的SEI膜，改善它们便可以提高首效。现有提高首效最有效的方法是预锂化，通过直接补锂并辅以其他方法使得首效更高。

4 结 论

硅基材料由于其高比容量成为最佳的锂离子电池负极材料。通过介绍硅基负极材料普遍存在的三个问题，分析其产生原因及相应的解决途径。例如，通过结构设计、包覆技术以及预锂化等方法，明显提高锂离子电池的能量密度与循环性能等。但是，从目前硅基负极的实际情况来看，它还远远无法满足理想的商业化应用。在未来的研究工作中，需要加大力度实现硅基负极材料应用于实际生产，在解决高比容量和循环稳定性的同时，保证较高的电极载量和振实密度，简化硅基材料复合技术，探索简单方便的工艺，满足大规模生产需求，使硅基材料能够成功应用于新能源及其他领域。