硅的儲能密度是現(xiàn)有鋰電池負(fù)極材料的10倍，為什么還不換？
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2025-10-29
【概要描述】續(xù)航1000公里的電動車引起的軒然大波，從電池材料的角度來分析它的可行性。
最近蔚來和上汽相繼提出了未來能續(xù)航1000公里的車型，引起一場動力電池業(yè)界軒然大波。借著這股熱潮，我們探討一下鋰電池如何在電池負(fù)極材料上進行研究升級，從而提升電池的整體能量密度，以實現(xiàn)更高的續(xù)航里程。
目前的鋰電池負(fù)極材料主要是基于碳元素的石墨，在電池充電時充當(dāng)鋰離子和電子的載體。可以將石墨的片層結(jié)構(gòu)想象成是圖書館里的書架，充電時鋰離子從正極進入到負(fù)極，然后按照6個碳原子固定1個鋰離子的比例（LiC6）將鋰離子安插在石墨書架上。這個比例就決定了石墨負(fù)極材料的最高儲能密度為每克372毫安時。
要提高負(fù)極材料的能量密度，其中一條途徑就是尋找能安插更密集鋰離子的書架材料。科研人員發(fā)現(xiàn)硅材料可以按照4個硅原子固定15個鋰離子的比例（Li15Si4）存儲鋰離子，從而將負(fù)極材料的最高儲能密度提升到每克3579毫安時，是石墨負(fù)極最高儲能密度的9.6倍。
材料帶來如此巨大能量密度提升的同時，也帶來了一個巨大的問題：儲存鋰離子數(shù)量的提高會造成硅材料體積的急劇膨脹，這就像書架上插入過多的書本后書架會被撐大。石墨負(fù)極材料吸收鋰離子后體積最多膨脹40%，而硅材料最多會膨脹360%。如此巨大的體積膨脹帶來了一些實際應(yīng)用上的困難，下圖所示就是其中三個最主要的問題：
1. 硅顆粒碎裂（Pulverization）：硅顆粒吸收鋰離子后體積膨脹，釋放鋰離子后體積收縮，由于硅顆粒偏剛性，如此反復(fù)膨脹和收縮就會導(dǎo)致顆粒碎裂，碎開的部分不再與電極保持電流通達(dá)，從而變成無用的材料，降低電池的儲能容量。
2. 不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜（Unstable SEI）：通常的石墨顆粒在首次充電時，會在表面形成一層固體電解質(zhì)界面膜，這層膜起到保護內(nèi)部石墨材料和外部電解質(zhì)的作用，避免它們相互接觸繼續(xù)反應(yīng)而消耗掉有用成分。石墨顆粒在充放電時體積變化小，界面膜依靠自身的韌性可以保持不破裂，因此從第一次充電后就不再變化。換成硅顆粒后，由于硅顆粒的體積變化大，界面膜在最開始的充放電循環(huán)時，每次放電收縮時會將形成的界面膜破壞，下一次充電會繼續(xù)在破裂的膜上面繼續(xù)形成一層新的膜。如此反復(fù)膜的厚度不斷增加，嚴(yán)重阻礙鋰離子和電子進入膜內(nèi)的硅顆粒，同時也大量消耗了膜內(nèi)的硅材料和膜外的電解液，迅速降低電池的儲能容量，最后導(dǎo)致電池失效。
3. 電極失效（Electrode failure）：負(fù)極材料要起作用，必須保持與電極片銅箔的電流通達(dá)，這樣電子才能通過銅箔傳遞到負(fù)極材料里。硅顆粒在一開始因為緊密堆積相互接觸，能保持與銅箔的電導(dǎo)性。當(dāng)反復(fù)充放電后，硅顆粒由于自身的膨脹與收縮，顆粒之間就會逐漸拉開距離形成空隙，原來緊貼銅箔的顆粒也會逐漸脫落，使負(fù)極內(nèi)部失去電導(dǎo)性，從而使得電池失效。
因為以上的這些問題，純硅負(fù)電極材料暫時還無法實現(xiàn)，但是人們已經(jīng)在嘗試用硅材料替代部分石墨材料制作硅碳復(fù)合負(fù)電極，目前替代的比例從5%到20%不等，也使得負(fù)電極的儲能密度實現(xiàn)提升50%到150%不等。但即便是少量的替代石墨材料，人們依然需要解決硅材料的體積膨脹給負(fù)電極帶來的影響，目前最常用的解決方法是使用納米級別的多孔硅材料，給硅顆粒的內(nèi)部預(yù)留出足夠的空間，讓它體積膨脹時占用預(yù)留的內(nèi)部空間，而不會造成外部體積的明顯變化，從而保持負(fù)極的穩(wěn)定性。
關(guān)于如何設(shè)計多孔硅顆粒及如何與負(fù)極里的石墨材料、電解液和粘接劑保持良好融合，我們將在以后的文章里再一一解釋，同時也會介紹到從事相關(guān)研發(fā)工作的科研機構(gòu)和公司。