隨著新能源汽車在實際應用中對續(xù)航里程要求的不斷提高,，目前的材料體系明顯已無法滿足現(xiàn)實需求，研發(fā)新型高能量高性能材料迫在眉睫,。目前,，硅基材料已成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負極的最優(yōu)先選擇?，F(xiàn)狀是發(fā)展大部分材料商都展開了對硅碳復合材料做負極材料的研究和生產(chǎn)，目前只有貝特瑞和上海杉杉已進入中試量產(chǎn)階段,，大多數(shù)材料商仍處于研發(fā)之中,。
國內(nèi)前幾大負極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對硅碳負極材料進行布局，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負極材料產(chǎn)品,，上海杉杉正處于硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化進程中,，星城石墨已將硅碳新型負極材料作為未來產(chǎn)品研發(fā)方向。此外,，電池企業(yè)中,，BYD、CATL,、國軒,、力神、萬向,、微宏等都展開了對硅碳負極體系的研發(fā)和試生產(chǎn),。
從目前已產(chǎn)品化的硅碳負極材料性能來看，相比于石墨負極材料而言,，最大的優(yōu)勢在于比容量的提升,。硅碳負極材料的最低比容量一般都超過石墨負極材料的理論比容量，貝特瑞的S1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g,，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距,，但已經(jīng)是人造石墨負極材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高,。此外,，硅碳負極材料的首次效率能達到90%以上，滿足應用的要求,，其他各項指標也不亞于石墨負極材料,。
硅負極的優(yōu)勢在哪里
石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負極的理論能量密度超其10倍,，高達4200mAh/g,，而且還具有環(huán)境友好,、儲量豐富等特點,， 通過在石墨材料加入硅來提升電池能量密度已是業(yè)界公認的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做硅碳負極電池的商業(yè)化，包括比亞迪,、力神,、比克、萬向等國內(nèi)電池廠商也在跟蹤,，但是至目前為止還沒有看到量產(chǎn)的產(chǎn)品,。特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上,，特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入了10%的硅,，其能量密度至少在550mAh/g以上。
硅材料在鋰電池的應用
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(zhì)。
(一)納米硅：鋰電負極材料的重要成員
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，常由溶膠凝膠法等方法制備而成,。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：①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，這是我們關注的重點;②用于制造耐高溫涂層和耐火材料;③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;④可與有機物反應,，作為有機硅高分子材料的原料;⑤金屬硅通過提純制取多晶硅;⑥半導體微電子封裝材料;⑦金屬表面處理。
(二)有機硅：鋰電電解液的功能添加劑
有機硅,，是一類人工合成的,，結(jié)構(gòu)上以硅原子和氧原子為主鏈的一種高分子聚合物。由于構(gòu)成主鏈的硅-氧結(jié)構(gòu)具有較強的化學鍵結(jié),，因此有機硅高聚物的分子比一般有機高聚物對熱,、氧穩(wěn)定得多,。 有機硅獨特的結(jié)構(gòu)，使其兼?zhèn)淞藷o機材料與有機材料的性能,，具有表面張力低,、粘溫系數(shù)小、壓縮性高,、氣體滲透性高等基本性質(zhì),，并具有耐高低溫、電氣絕緣,、耐氧化穩(wěn)定性,、耐候性、難燃,、憎水,、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優(yōu)異特性,，廣泛應用于航空航天,、電子電氣、建筑,、運輸,、化工、紡織,、食品,、輕工、醫(yī)療等行業(yè),，其中有機硅主要應用于密封,、粘合、潤滑,、涂層,、表面活性、脫模,、消泡,、抑泡、防水,、防潮,、惰性填充等。
盡管有機硅在室溫下的力學性能與其它材料差異不大,，但其在高溫及低溫下的物理,、力學性能表現(xiàn)卓越，溫度在-60到+250℃多次交變而其性能不受影響,，故有機硅高聚物可在這個溫度區(qū)域內(nèi)長期使用,，有些有機硅高聚物甚至能在低至-100℃下正常使用,。
硅負極材料的缺點
硅負極材料的缺點也相當明顯，主要有兩大缺點：①硅在鋰離子嵌入脫嵌過程中,，會引起Si體積膨脹100%~300%，在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應力,，對材料結(jié)構(gòu)造成破壞,，電極材料在銅箔上脫落，同時硅表面的SEI膜不斷重復形成-破裂-形成,，共同降低了電極的導電性和循環(huán)穩(wěn)定性;②硅為半導體,，導電性比石墨差很多，導致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大,，進一步降低了其首次庫倫效率,。因而，必須解決硅在充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹和首次充放電效率低的問題,。