Анод на основе кремния относится к материалам для анода аккумулятора, в которых кремний является основным активным материалом, и его теоретическая емкость значительно превышает емкость традиционных материалов для анода графита. Традиционные материалы для анода литий-ионного аккумулятора в основном представляют собой графит, который имеет низкую теоретическую емкость всего 372 мАч/г, в то время как теоретическая емкость анода на основе кремния достигает 4200 мАч/г, что примерно в десять раз больше, чем у графита, и имеет широкие рыночные перспективы!
Материалы для отрицательного электрода литиевого аккумулятора в основном делятся на материалы на основе углерода и материалы без углерода. Материалы на основе углерода включают в себя отрицательный электрод из натурального графита, отрицательный электрод из искусственного графита, мезофазные углеродные микрошарики (MCMB), мягкий углеродный (например, кокс) отрицательный электрод, твердый углеродный отрицательный электрод, углеродные нанотрубки, графен, углеродное волокно и т. д. Материалы на основе неуглерода в основном делятся на материалы на основе кремния и его композитные материалы, нитридный отрицательный электрод, материалы на основе олова, титанат лития, сплавные материалы и т. д.
Сырьевые материалы отрицательных электродов на основе кремния в основном состоят из кремниевых материалов и графита. Кремний, как материал отрицательного электрода для литий-ионных аккумуляторов, имеет выдающиеся преимущества. Во-первых, кремний сплавляется с литием при комнатной температуре, а теоретическая удельная емкость достигает 4200 мАч/г, что более чем в десять раз больше, чем у современных материалов отрицательного электрода из графита; во-вторых, по сравнению с графитом, кремний широко распространен в земной коре, составляя 25,8% массы земной коры, и является вторым по распространенности элементом в земной коре; в-третьих, кремний имеет немного более высокую потенциальную платформу, чем графит (около 0,4 В, Li/Li+), нет скрытой опасности осаждения лития, и он безопасен; в-четвертых, низкотемпературные характеристики материалов отрицательного электрода на основе кремния лучше, чем у графита; в-пятых, он может обеспечить каналы для внедрения и извлечения ионов лития со всех направлений и имеет превосходные характеристики быстрой зарядки. Ожидается, что кремниевые отрицательные электроды станут идеальной заменой графитовым отрицательным электродам.
Решение отрицательного электрода из кремния и углерода: будь то кремний-углерод или кремний-кислород, все еще есть некоторые проблемы, которые необходимо решить в процессе индустриализации. С точки зрения решений, проблема скорости расширения кремния-углерода обычно решается с помощью технологии углеродного покрытия нанокремния, в то время как отрицательный электрод из кремния и кислорода повышает начальную эффективность за счет пре-магния или пре-лития.
Покрытый углеродом нанокремний представляет собой структуру с нанокремнием в качестве сырья и углеродным слоем, нанесенным на поверхность. Основные принципы и функции включают в себя:
(1) Углеродное покрытие может защитить кремний, тем самым избегая прямого контакта между электродом и электролитом и препятствуя чрезмерному росту пленки SEI;
(2) Углеродные материалы обладают хорошей проводимостью и могут создавать непрерывную проводящую сеть на поверхности кремния, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление батареи;
(3) Углеродные материалы обладают сильными механическими свойствами и могут буферизировать изменения напряжения, вызванные расширением объема кремния, тем самым поддерживая целостность структуры электрода.
Размер частиц кремния является ключевым фактором. Чем больше размер частиц, тем ниже стоимость, но производительность цикла может быть плохой. Расширение объема крупных частиц кремниевого отрицательного электрода приведет к трещинам внутри композитного материала, нарушит непрерывность электронной проводимости и снизит производительность. Теоретически, чем меньше зерна кремния, тем лучше производительность цикла. Получение нанокремния делится на различные технические пути, включая шлифование или осаждение из паровой фазы, а осаждение из паровой фазы делится на PVD и CVD.
Измельчение: Размер частиц традиционного метода физического измельчения составляет около 100 нм, что далеко от соответствия требованиям к размеру частиц кремниевого отрицательного электрода. Необходим новый процесс измельчения для измельчения и дробления крупных частиц кремния сверху донизу, чтобы непрерывно уменьшать его размер частиц. Текущая стоимость измельчения за тонну составляет 200 000 юаней/тонну, что является самым дешевым решением для нано-кремния и текущим основным решением. Для этого необходимо использовать высокоэнергетическую шаровую мельницу и другие технические усовершенствования. Недостатком является то, что продукт имеет большой размер частиц, в который легко вносятся примеси, что приводит к низкой чистоте, а форму и распределение размеров частиц невозможно контролировать.