硅基负极材料搭配高镍三元材料电池体系正成为未来高端长续航锂电池发展趋势,负极厂商积极研发并布局硅基负极材料,以满足未来市场需求。
显微图片的背景知识
负极材料是锂离子电池四大核心材料之一。锂电池负极主要由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成,涂抹于铜箔的两侧,后经干燥、滚压等工序加工完成。在锂电池充放电过程中,受电极电压作用,正极中的锂离子发生“嵌入”和“脱嵌”电化学反应,负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从外电路通过。负极材料占锂电池制造成本的5%～15%不等。
图1方形电池内部结构及原理示意图
锂电池负极主要分为碳材料和非碳材料两大类。人造石墨和天然石墨是目前最主流的两大石墨类碳材料负极,复合石墨与中间相碳微球经过掺杂改性和化合物处理加工制成;无定形碳和碳纳米材料石墨烯也同属碳材料负极。非碳材料涵盖硅基、钛基、锡基、氮化物和金属锂,硅基负极基本实现商业化,其它新型负极目前仍处研发或小规模生产阶段,尚未实现商业化。
图2锂电池负极分类
负极材料对锂电池的容量、能量密度、充电效率、循环寿命、安全性等核心指标均产生直接影响。天然石墨和人造石墨成本较低、生产技术和配套设施完善、石墨类材料稳定性较高,占据负极市场主导地位。但由于天然石墨和人造石墨克容量已应用至材料理论极限,硅基负极理论比容量可达mAh/g,使其成为高能量密度锂电池负极材料的最佳之选,因此以硅基负极为主的高容量新型负极材料正成为主要的研究和发展方向。
表1:电池锂电负极材料性能对比
备注:负极克容量指每克负极活性物质所能释放出的电量,这一指标决定了电池整体的比容量和能量密度。首次效率是指电池首次充放电过程中,放电容量与充电容量的百分比。首次效率越低则代表首次充电时会形成固体电解质(SEI)膜并消耗大量来自正极材料的活性锂,降低电池容量。钛酸锂对锂电位为1.5V,首次充电不形成SEI膜,是当下首次效率最高的负极材料。循环寿命和安全性是需求端