中科院李峰：硅負極發(fā)展報告

李峰2.硅基負極及挑戰(zhàn)1研究背景“碳達峰、碳中和”新能源汽車大規(guī)模儲能筆記本電腦儲能技術(shù)是能源結(jié)構(gòu)的核心，社會基礎(chǔ)設(shè)施，2==ForceP=UIE=UItLife=Reliability+EfficiencysLife=Reliability+Efficiency4研究背景 研究背景“rockingchairbatteries”從能量密度看電池百年發(fā)展歷史H.Li,etal.EnergyEnviron.Sci,2011,4,2DatafromD.LindenH.Li,etal.EnergyEnviron.Sci,2011,4,256研究背景動力鋰離子電池負極材料:《中國制造2025》:能量密度>300Whkg-1,價格<1.5RMBWh-1。地殼豐度第二的元素硅基材料是最有潛力的下一代動力電池負極材料。2.硅基負極及挑戰(zhàn)4.面向產(chǎn)業(yè)化需求硅基負極及挑戰(zhàn)高達300%高達300%8硅基負極及挑戰(zhàn)體積膨脹、無定型相轉(zhuǎn)化。體積膨脹導(dǎo)致電極失效。硅電極循環(huán)后的SEM圖，經(jīng)過d)3,e)8,f)50次循環(huán)，比例尺：20μm92.硅基負極及挑戰(zhàn)4.面向產(chǎn)業(yè)化需求解決方案F.Li,etal.SmallStruct.2021,2,2100009highlightbycover解決方案u提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性u縮短電子/離子傳輸距離u提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性u縮短電子/離子傳輸距離u緩解體積膨脹/收縮應(yīng)力u避免顆粒粉化相輔相成u高的表面活性u緩解體積膨脹/收縮應(yīng)力u避免顆粒粉化解決方案表面包覆相輔相成u穩(wěn)定SEI膜相輔相成u提高導(dǎo)電性u減少副反應(yīng)多孔石墨解決方案硅烷氣體，形成不同硅沉積厚度的多孔材料。對低電極膨脹材料設(shè)計提供指導(dǎo)Adv.EnergyMater.2019,9,解決方案ACSNano2020,14,4374?4382解決方案Adv.Mater.2021,2103095解決方案Si/C–G//LFP多巴胺碳包覆：阻止顆粒內(nèi)部形成SEI膜；石墨烯：保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止導(dǎo)電環(huán)境遭到破壞F.Li,etal.J.Mater.S解決方案結(jié)構(gòu)設(shè)計:硅/石墨/碳復(fù)合材料振實密度:1.0gcm-3ICE=92%Nat.Energy2016,1,16113解決方案新型粘結(jié)劑:uu提高電極機械強度u促進電子/離子傳輸高彈性粘結(jié)劑Science2017,357,279–283導(dǎo)電聚合物粘結(jié)劑Nat.Commun.2013,4,1943解決方案新型粘結(jié)劑:高彈性微米硅,2.1μm機械性能Science2017,357,279–283ICE=91.22%解決方案新型粘結(jié)劑:剛?cè)岵?、自愈合、高彈性PAA:聚丙烯酸HEA:丙烯酸羥乙酯DMA:多巴胺甲基丙烯酰胺Joule2018,2,950–961解決方案新型粘結(jié)劑:高導(dǎo)電NanoEnergy2017,36,206–212解決方案新型粘結(jié)劑:金屬交聯(lián)Adv.EnergyMater.2018,8,1702314Adv.EnergyMater.2020,10,1903110Adv.Sci.2021,8,2004290提高粘結(jié)劑交聯(lián)度提高電極電子/離子傳輸性用鋰作為交聯(lián)金屬,可提高ICE解決方案uu穩(wěn)定SEI膜u獲得優(yōu)良的高低溫性能u促進電子/離子傳輸新型溶劑新型鋰鹽Nat.Energy2020,5,386–397ACSAppl.Mater.Interfaces2019,11,29780解決方案新型添加劑:添加劑先還原,形成穩(wěn)定的鈍化層如還原電位FEC(1.1V)高于EC(0.7V)Chem.Rev.2020,120,13312?13348Joule2019,3,2322–2333VC、FEC等先還原成穩(wěn)定的聚合物,防止溶劑進一步被還原解決方案溶劑還原電位遠低于鋰鹽只有鋰鹽發(fā)生還原生成氟化鋰，溶劑沒有被還原，形成了富LiF且薄的SEI膜ICE=90.6%容量保持率ICE=90.6%Nat.Energy2020,5,386–2.硅基負極及挑戰(zhàn)4.面向產(chǎn)業(yè)化需求4.面向產(chǎn)業(yè)化關(guān)注指標:面向產(chǎn)業(yè)化高面容量:有限的體積內(nèi),更多活性物質(zhì)及容量發(fā)揮面向產(chǎn)業(yè)化高首次庫倫效率:減少首圈的容量不可逆消耗面向產(chǎn)業(yè)化成本:面向產(chǎn)業(yè)化低電極膨脹:電芯空間有限,需將電極膨脹控制在10%以內(nèi)厚度嵌鋰后增幅<10%uu一般基礎(chǔ)研究經(jīng)常忽略這項指標,但產(chǎn)業(yè)化必須考慮。F.Li,etal.SmallStruct.2021,2,2100009面向產(chǎn)業(yè)化硅/石墨/碳復(fù)合材料:最適合產(chǎn)業(yè)化面向產(chǎn)業(yè)化硅/石墨/碳復(fù)合:SSP/G:硅/石墨和瀝青噴霧干燥混合LSG:硅/石墨和瀝青液相(THF)混合CSG:硅/石墨氣相混合后氣相包覆硅/石墨復(fù)合方式直接決定了電極的膨脹率Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,110–135面向產(chǎn)業(yè)化硅/石墨/碳復(fù)合:相比于其它碳源(包覆+連結(jié)),瀝青具有獨特的優(yōu)勢Adv.EnergyMater.2019,9,1803121面向產(chǎn)業(yè)化資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，貝特瑞公開發(fā)行股票說明書，新時代證券研究所面向產(chǎn)業(yè)化《高能量密度鋰離子電池硅基負極材料研究》《高能量密度鋰離子電池硅基負極材料研究》面向產(chǎn)業(yè)化納米硅顆粒:<200~300nm資料來源各公司官網(wǎng)面向產(chǎn)業(yè)化種類容量(mAh/g)膨脹(%)顆粒尺高(300)高良硅氧2680(SiO)(200)低氧化亞硅不可逆反應(yīng),生成成硅酸鋰和氧化鋰,氧化亞硅不可逆反應(yīng),生成成硅酸鋰和氧化鋰,造成首效低。但是可有效緩沖脫嵌鋰產(chǎn)生的體氧化亞硅負極材料發(fā)展較晚,具有更小的體積膨脹和更好的循環(huán)穩(wěn)定性對于動力電池更為重要。面向產(chǎn)業(yè)化面向產(chǎn)業(yè)化21700面向產(chǎn)業(yè)化《中國制造2025》動力鋰電池的發(fā)展規(guī)劃2.硅基負極及挑戰(zhàn)4.面向產(chǎn)業(yè)化需求