根據中國汽車動力電池發(fā)展路線的規(guī)劃要求，至2015年動力電池模塊的能量密度達到150Wh/kg(單體在170~190Wh/kg)至2020年動力電池模塊的能量密度達到250Wh/kg(單體在300Wh/kg以上)以現(xiàn)有的材料體系已經無法滿足未來發(fā)展的需求了，所以必須要發(fā)展高能量密度的電極材料。從改善負極的角度來看發(fā)展硅基材料體系是個不錯的方向。

圖1 石墨負極和Si負極的脫鋰嵌鋰機理

硅在常溫下可與鋰合金化，生成Li15Si4相，理論比容量高達3572mA·h/g，遠高于商業(yè)化石墨理論比容量(372mA·h/g)，在地殼元素中儲量豐富(26.4%，第2位)，成本低、環(huán)境友好，因而硅負極材料一直備受科研人員關注，筆者認為其是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。

最突出的問題是硅在反應中會出現(xiàn)體積效應。通過理論計算和實驗證明嵌鋰和脫鋰引起的體積變化率是320%。在材料設計時必需要考慮大的體積變化問題。高體積容量的材料在局部會產生力學上的問題，通過一系列的基礎研究證明，它會裂開，形成嚴重的脫落。

大的膨脹導致的結果就是：

1.顆粒裂開、粉化，循環(huán)性能差

2. 活性物質與導電劑粘結劑接觸差

3. 表面SEI重復生長，不停消耗電解液和Li源，循環(huán)變差

從長期的基礎研究來看，①通過硅粉納米化;②硅碳包覆;等技術手段可以有效解決硅在鋰電池負極應用中遇到的問題。無論是納米硅碳還是氧化亞硅碳，硅力求做到以下幾點：

硅粒徑：<20nm(理論上越小越好)

均勻度：標準偏差小于5nm

純度：>99.95%

形貌：100%球形率

目前應用相對成熟的是將納米化、惰性緩沖以及表面包覆技術相結合。

硅碳復合負極材料采用就是核殼結構，通過以球形人造或者天然石墨為基底，在石墨表面釘扎一層Si納米顆粒，再在其外表包覆一層無定形碳或石墨烯。碳包覆機理在于：Si的體積膨脹由石墨和無定形包覆層共同承擔，避免負極材料在嵌脫鋰過程因巨大的體積變化和應力而粉化。碳包覆的作用是：

(1)約束和緩沖活性中心的體積膨脹

(2)阻止納米活性粒子的團聚

(3)阻止電解液向中心滲透，保持穩(wěn)定的界面和SEI

(4)硅材料貢獻高比容量，碳材料貢獻高導電性

保持電極結構的完整：開發(fā)合適的粘結劑

目前主要使用的是CMC，PI(聚酰亞胺)，PAA(聚丙烯酸),PVA(聚乙烯醇),Alg(海藻酸鈉)體系的粘結劑，相對于PVDF粘結劑以上這些主要是具有羧基基團(-COOH)能與Si材料表面羥基(-OH)發(fā)生縮合反應。

建立穩(wěn)定的固液界面：開發(fā)合適的電解液

1. VC 添加劑對形成厚的SEI 層良好的協(xié)同效應。

2. 添加丁二酸酐(SA) 或 FEC及硅氧烷也可提高循環(huán)性能。

3. 使用流體電解液LiTFSI或固態(tài)電解質對界面的改善。

表2 比克圓柱電池roadmap

總的來講目前SiC負極的應用還沒有普及，主要原因如下：

1.供應端方面，由于硅碳負極的價格非常高，對于生產環(huán)境的要求也非常高，短期內產能很難得到釋放。

2.應用端方面，與硅碳負極相匹配的電解液和正極材料體系還不成熟，硅碳負極的大規(guī)模應用也比較困難。

目前國內包括國軒高科、寧德時代、比克電池、比亞迪、天津力神等都已經開始布局相關產品，但是真正量產應用的主要在18650產品上，且都是數(shù)碼電池。預計到2020年后，隨著國內方型鋰電池逐漸開始使用硅碳負極，硅碳負極的市場需求才會快速增長。