Кремний-углеродные аноды являются одним из основных материалов для литий-ионных аккумуляторов нового поколения с высокой плотностью энергии, призванных преодолеть ограничения традиционных графитовых анодов с их низкой теоретической удельной емкостью (372 мАч/г) и обеспечить скачок в плотности энергии аккумуляторов.
Значительные преимущества кремния:
Сверхвысокая теоретическая удельная емкость: Чистый кремний имеет теоретическую удельную емкость до ~4200 мАч/г, что более чем в 10 раз превышает емкость графита.
Подходящий потенциал интеркаляции лития: Немного выше, чем у графита, что делает его более безопасным и менее склонным к осаждению лития.
Большие запасы и экологичность.
Основные недостатки кремния:
Разрушение частиц: Активный материал отслаивается от токосъемника.
Непрерывное разрушение и регенерация твердого электролитного межфазного слоя (SEI): Постоянно расходует электролит и источник лития, что приводит к низкой кулоновской эффективности и быстрому снижению емкости.
Огромное объемное расширение: Во время интеркаляции лития объемное расширение кремния может достигать более 300%. Это приводит к:
Плохой проводимости: Не такой хорошей, как у графита.
Роль «углерода»:
Буферная матрица: Гибкие углеродные материалы (например, аморфный углерод, графен) могут компенсировать изменения объема кремния, предотвращая структурное разрушение.
Проводящая сеть: Улучшает общую проводимость композитного материала.
Стабильный слой SEI: Слой SEI, образующийся на поверхности углерода, более стабилен, ограничивая прямой и чрезмерный контакт кремния с электролитом.
Таким образом, кремний-углеродный композит является неизбежным технологическим путем для достижения баланса между высокой емкостью и длительным сроком службы.
Ключевые технологии процесса получения:
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD):
Применение: Выращивание равномерного углеродного покрытия на поверхности частиц кремния или осаждение нанокремния на пористый каркас.
Ключевой момент: Контроль температуры, скорости потока газа (например, метана, этилена) и времени для получения углеродного слоя с идеальной толщиной и степенью графитизации.
Высокоэнергетическое механическое шаровое измельчение:
Применение: Физическое смешивание и измельчение микроразмерного кремния с углеродными материалами (графит, сажа) для достижения первоначального образования композита.
Ключевой момент: Контроль времени шарового измельчения и атмосферы для предотвращения попадания чрезмерных примесей или чрезмерного структурного повреждения. Распылительная сушка/пиролиз:
Применение: Распыление раствора/суспензии наночастиц кремния и предшественников углерода (таких как сахароза, полимеры) в гранулы, а затем их карбонизация для образования однородных кремний-углеродных вторичных микросфер. Ключевые факторы: выбор предшественника, сушка и контроль процесса пиролиза.
Технология предварительного литирования (вспомогательный, но критически важный процесс):
Цель: Компенсация необратимых потерь лития, вызванных образованием SEI во время первого цикла заряда-разряда кремний-углеродных материалов (особенно монооксида кремния), тем самым повышая кулоновскую эффективность первого цикла.
Методы: Включают предварительное литирование отрицательного электрода (контакт с литиевой фольгой, стабилизированный литиевый порошок SLMP), добавление лития в положительный электрод (соединения, богатые литием) и т. д. Это критически важный вспомогательный процесс для коммерциализации кремний-углеродных анодов.
Будущие тенденции:
Усовершенствованный дизайн материалов: Переход от проектирования микроструктуры к точному контролю на атомном/молекулярном уровне.
Инновации в процессах и снижение затрат: Разработка масштабируемых, недорогих процессов получения нанокремния и композитных материалов.
Интеграция в полную систему батареи: Совместная разработка с высоконикелевыми катодами, новыми электролитами, твердотельными электролитами и т. д.
Постепенное увеличение содержания кремния: От нынешних 5-10% до более высокого содержания кремния (>20%) при сохранении стабильности цикла.
В заключение, суть технологии кремний-углеродных анодов заключается в «наноструктурировании + образовании композита + структурном проектировании». Благодаря продуманному дизайну материалов и точным процессам получения используется высокая емкость кремния, а углерод используется для «сдерживания» и «буферизации» его расширения. В настоящее время технология на основе монооксида кремния и углерода первой достигла крупномасштабной коммерциализации, в то время как технология нанокремний-углеродных композитов является направлением для будущих аккумуляторов с высокой плотностью энергии. По мере совершенствования технологии и снижения затрат кремний-углеродные аноды постепенно станут стандартом в высококачественных литиевых батареях.