分析硅基材料在锂二次电池体系中的应用

分析硅基材料在锂二次电池体系中的应用

袁庆华

东莞市创明电池技术有限公司

摘要：本文主要对硅基材料在锂二次电池体系中的应用进一步分析了解。不断发展的便携电子产品技术、交通运输和储能应用，衍生出对电源更多的要求，特别是安全性、能量密度和功率密度以及循环寿命等指标的不断提升，使得锂离子电池的应用依然面临着诸多的挑战。

关键词：硅基材料；锂二次电池；组成；工作原理；应用

一、锂二次电池材料分析

1.锂二次电池的正极材料

锂二次电池自从1991年商业化以来，经过二十多年的发展已开发出了多种商业化的正极材料，由于在锂二次电池中正极材料的成本比较高，而且就目前的情况来说，正极材料的能量密度也是制约锂二次电池发展的一个瓶颈，因此开发出高比能、高稳定性、低成本的正极材料具有相当重要的意义。

钴酸锂（LiCoO2）层状正极材料作为最早真正意义上实现商业化的锂二次电池正极材料，自从1980年Goodenough报道后，一直受到大量的关注和研究LiCoO2具有A-NAFEC2型二维层状结构，空间群为R3m，理论容量为274mAhg2，实际体系中一般释放140mAhg＇的可逆容量。现阶段的研究都集中于改善其在高电压下的循环稳定性，使其能够在4.5V左右间的高电压下也能获得高容量和长寿命性能。虽然一直受到资源限制和对环境有害的诟病，但是钻酸锂一直是市场的宠儿，特别是在便携式消费电子等高附加值产品上面。

2.锂二次电池的负极材料

负极指电源中电位（电势）较低的一端。在原电池中，是指其氧化作用的电极，电池反应中写在左边。从物理角度来看，是电路中电子流出的一极。而负极材料，则是指电池中构成负极的原料，目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。锂离子电池的负极是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糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂离子电池能否成功地制成，关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。

（1）碳基负极材料。碳基材料具有低的脱嵌锂电压，优异的循环性能，凭借较高的工业成熟度和低廉的成本等优势，几乎独霸了整个负极材料市场。目前开发出的碳基材料主要是石墨化碳基材料，无定型碳基材料，碳纳米管以及石墨焼材料。可用于锂二次电池体系的石墨化碳基材料主要为天然石墨，人工石墨以及中间相碳微球。

（2）合金反应类型负极材料。合金反应类负极材料主要包含了，Si，Sn，Sb，Al，Mg，Bi等材料，它们能够与锂发生合金化反应形成LixMy，并且能够可逆去合金化，用于锂二次电池负极材料的电化学反应表达式为：xLi+yM-LixMy（M=Si，Sn，Sb，Al，Mg，Bi等）。

（3）渡金属氧化物负极材料。过渡金属氧化物负极材料主要是指钴，铁，铜以及镍等金属的氧化物。其反应机理类似于前面提到的转换反应机理，反应表达式为：MxOy+2yLi-xM+yLi2O；由于在反应过程中生成电导率差的Li2O，使得首周不可逆反应的比例比较大效率偏低，另外材料的循环性不佳，充放电电压平台不明显，中值电压较大等缺陷使其在全电池中应用有很大的局限性。

二、锂离子二次电池的组成及工作原理

现有的商品化锂离子二次电池主要为柱状，方型和软包装三种形状，其组成分为三大主要部分，分别为正极部分，负极部分，电解液与隔膜部分。商业化锂二次电池正极部分所采用的材料主要为层状，尖晶石和橄榄石等结构的几种材料，负极部分所采用的材料主要为石墨。

以LiCoO2/graphite体系的全电池为例：充电过程中，锂离子从LiCoO2中脱出，经过电解液迁移穿越隔膜然后嵌入到负极石墨层间，同时补偿电荷通过外电路迁移到负极石墨来确保体系电荷平衡；放电过程则相反，锂离子从石墨层间脱出，经过电解液迁移越过隔膜然后嵌入到正极晶格中。

三、硅基材料在锂二次电池中的应用

归属于元素周期表上的IVA族类非金属元素，在地壳中的丰度排名第二，占总质量的26.4%。其单质形态有无定型硅和晶体硅两种，但是在自然界中，一般是以硅酸盐或二氧化鞋的形式存在。硅基材料在国计民生上面有着重大的作用：单质硅是一种半导体材料，在新能源领域可用于太阳能电池和锂二次电池，也是微电子产业的基础；二氧化硅可用于光导纤维通信，光电催化等领域；硅金属合金材料可用于汽车工业，热电材料领域甚至在航空军事等方面；硅酸盐材料在玻璃、陶瓷、水泥以及耐火材料工业上面有着广泛的应用；有机硅材料的应用也是相当的广泛，从润滑剂，防水材料，到文物保护，再到医用高分子材料等等很多方面。总之，硅基材料在光、电、热等应用领域发挥着重要的作用，成为微电子、光学、遥感、通讯、航空航天等高科技发展的重要支撑。

1.硅基正极材料的分析

（1）硅基无机正极材料。硅酸盐是一种正极材料，由于具有稳定的聚阴离子型硅酸根四面体骨架，而且Si-O键具有相当强的键合力，使得这类材料在热稳定性以及安全性方面有着独特的性能，部分材料理论上可以允许两个Li+的可逆脱嵌，另外合成材料的原料来源丰富、成本较低。

（2）硅基有机正极材料。硅链为主链的有机材料用作锂电池的正极材料，并不是由于硅链能够进行氧化还原反应，而是因为有些小分子化合物极易溶于电解液，难以获得稳定的循环性能，而采用碳链作为主链合成高分子量聚合物的难度太大或是根本得不到高分子量的聚合物，对材料溶解性问题的解决帮助不是很大。因而一些研究者试图借助硅链来合成大分子量的聚合物，获得不溶于电解液的有机聚合物材料。

2.硅基负极材料的分析

（1）硅合金负极材料。硅合金主要分为硅的金属化合物和硅的非金属化合物，这些化合物也能够进行电化学脱嵌（合金/去合金）锂的反应，硅能够与Cr、Mn、Fe、Mg、Ni、Co、Sn、Cu、Ca等元素形成合金化合物。

（2）硅单质负极材料。硅单质用作锂二次电池负极材料最大的吸引力在于其具有最高的理论比容量。硅负极材料最大的问题在于在充放电过程中硅锂合金化和去合金化所引起的巨大体积膨胀收缩，导致硅颗粒粉化和电接触损失。接造成了电极材料容量的衰减。为了减小硅颗粒的粉化程度，在一段时期内，合成纳米颗粒的硅材料成为了主流研究手段。

结束语：

总而言之，电池经过多年发展，己经建立了多种满足不同需求的体系。锂离子电池相对于其他类电池来说具有更高的能量密度，因而在消费电子市场中占据了统治性的地位。能源危机以及环境问题，需要人类发展可持续的清洁能源，这极大的扩展了锂离子电池的应用领域，也直接触发了动力型锂离子电池的研究热潮。因此，本文对硅基材料在锂二次电池体系中的应用分析具有一定的价值。

参考文献：

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