硅碳負(fù)極制備方法

開發(fā)高能量密度的鋰離子電池是動力電池界急需解決的問題，目前產(chǎn)業(yè)界力推的主流解決方案是正極采用高鎳三元材料，搭配高比容量硅碳負(fù)極材料。

理想的負(fù)極材料vs硅碳負(fù)極材料

理想的負(fù)極材料應(yīng)滿足以下條件：

①能夠可逆嵌入與脫出Li，并且嵌入和脫出電位要盡量低，提高輸出電勢高。

②具有良好的離子和電子導(dǎo)電性。

③與電解液有較好的相容性，并具有較高的首次效率。

④原材料豐富，成本低。

⑤安全，低污染。

當(dāng)然目前沒有完全滿足以上條件的負(fù)極材料，在眾多負(fù)極材料中，應(yīng)用最多的是人造石墨、天然石墨等碳材料，最有發(fā)展?jié)摿Φ氖枪杌?fù)極材料。所以研究者們用復(fù)合的方式讓材料的優(yōu)異性能得到體現(xiàn)，缺點盡量被彌補，因此有了硅碳負(fù)極材料。

幾種不同負(fù)極材料性能對比

用碳材料作為硅負(fù)極的復(fù)合對象的好處在于：①碳材料的導(dǎo)電性較好，能彌補硅材料導(dǎo)電性差的缺點，提高硅基負(fù)極材料的導(dǎo)電性；②碳材料在嵌脫鋰過程中體積變化很小（＜10%），且碳材料通常具有很好的潤滑性，可以有效抑制硅嵌脫過程中的體積變化，使電極結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性得到很好的維持，進(jìn)而使得硅基材料的循環(huán)穩(wěn)定性提高。

硅碳負(fù)極的制備方法

1

氣相沉積法

氣相沉積法包括化學(xué)氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。CVD法是一種用于生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能的固體材料的化學(xué)方法，通常應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的薄膜制造。PVD法是一種真空沉積法，可以用來制作薄膜和涂層。

2

高溫固相合成法

高溫固相合成是制備硅/碳負(fù)極材料的一種常用方法，即在高溫(1000～1500℃)下，通過固體界面之間的接觸、反應(yīng)、成核和晶體生長反應(yīng)生成大量的復(fù)合氧化物的方法。為了防止惰性相硅/碳的生成，反應(yīng)溫度通?？刂圃?200℃。在反應(yīng)過程中，升溫速率、反應(yīng)前驅(qū)物的選擇和反應(yīng)溫度將直接影響材料的結(jié)構(gòu)和性能。高溫固相合成法的優(yōu)點：工藝簡單，工藝參數(shù)易于控制，重現(xiàn)性好。

3

機械合金化法

機械合金化是一種固態(tài)粉末加工技術(shù)，是通過采用重復(fù)冷焊、壓裂和在高能球磨機中重新焊接混合粉末粒子，得到均勻材料的一種方法。機械合金化已被證明能夠從混合元素或預(yù)合金粉末中合成各種平衡和非平衡合金相。與高溫固相合成法相反，機械合金化法制備的材料通常具有更小的粒度，更大的比表面積和更均勻的組織。

4

靜電紡絲法

靜電紡絲技術(shù)融合了電噴涂和傳統(tǒng)的溶液干法紡絲纖維的優(yōu)點，纖維直徑一般為幾百納米。靜電紡絲過程不需要使用化學(xué)凝固或高溫從溶液中產(chǎn)生紡絲，這使得該工藝特別適用于生產(chǎn)大而復(fù)雜的微粒纖維。靜電紡絲法可利用各種材料制備納米纖維，是一種低成本、工藝簡單的通用方法。

目前國內(nèi)已有幾家企業(yè)生產(chǎn)硅碳負(fù)極材料，但是產(chǎn)量不大，2018年硅碳負(fù)極材料總出貨量在2600噸左右，2019年依然沒有明顯的增長。影響硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化規(guī)模擴大的關(guān)鍵因素是成本，只有當(dāng)成本能與商用石墨相競爭時，才可能實現(xiàn)對現(xiàn)有石墨負(fù)極材料的大規(guī)模替換。因此，開發(fā)更簡單、更可靠、成本更低的制備方法將是關(guān)鍵。