硅的儲(chǔ)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(shí)間：2025-07-25
【概要描述】續(xù)航1000公里的電動(dòng)車(chē)引起的軒然大波，從電池材料的角度來(lái)分析它的可行性。
最近蔚來(lái)和上汽相繼提出了未來(lái)能續(xù)航1000公里的車(chē)型，引起一場(chǎng)動(dòng)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(jìn)行研究升級(jí)，從而提升電池的整體能量密度，以實(shí)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(shí)充當(dāng)鋰離子和電子的載體?？梢詫⑹钠瑢咏Y(jié)構(gòu)想象成是圖書(shū)館里的書(shū)架，充電時(shí)鋰離子從正極進(jìn)入到負(fù)極，然后按照6個(gè)碳原子固定1個(gè)鋰離子的比例（LiC6）將鋰離子安插在石墨書(shū)架上。這個(gè)比例就決定了石墨負(fù)極材料的最高儲(chǔ)能密度為每克372毫安時(shí)。
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(shū)架材料?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)硅材料可以按照4個(gè)硅原子固定15個(gè)鋰離子的比例（Li15Si4）存儲(chǔ)鋰離子，從而將負(fù)極材料的最高儲(chǔ)能密度提升到每克3579毫安時(shí)，是石墨負(fù)極最高儲(chǔ)能密度的9.6倍。
材料帶來(lái)如此巨大能量密度提升的同時(shí)，也帶來(lái)了一個(gè)巨大的問(wèn)題：儲(chǔ)存鋰離子數(shù)量的提高會(huì)造成硅材料體積的急劇膨脹，這就像書(shū)架上插入過(guò)多的書(shū)本后書(shū)架會(huì)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(huì)膨脹360%。如此巨大的體積膨脹帶來(lái)了一些實(shí)際應(yīng)用上的困難，下圖所示就是其中三個(gè)最主要的問(wèn)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(huì)導(dǎo)致顆粒碎裂，碎開(kāi)的部分不再與電極保持電流通達(dá)，從而變成無(wú)用的材料，降低電池的儲(chǔ)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(shí)，會(huì)在表面形成一層固體電解質(zhì)界面膜，這層膜起到保護(hù)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(shí)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(kāi)始的充放電循環(huán)時(shí)，每次放電收縮時(shí)會(huì)將形成的界面膜破壞，下一次充電會(huì)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(jìn)入膜內(nèi)的硅顆粒，同時(shí)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(chǔ)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(guò)銅箔傳遞到負(fù)極材料里。硅顆粒在一開(kāi)始因?yàn)榫o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(huì)逐漸拉開(kāi)距離形成空隙，原來(lái)緊貼銅箔的顆粒也會(huì)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?yàn)橐陨系倪@些問(wèn)題，純硅負(fù)電極材料暫時(shí)還無(wú)法實(shí)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(chǔ)能密度實(shí)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(lái)的影響，目前最常用的解決方法是使用納米級(jí)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(shí)占用預(yù)留的內(nèi)部空間，而不會(huì)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(jì)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(shí)也會(huì)介紹到從事相關(guān)研發(fā)工作的科研機(jī)構(gòu)和公司。