硅碳负极技术路线.docx

硅碳负极技术路线目前可产业化的硅基负极技术主要分为二类，分别是硅氧和硅碳。硅氧负极主要分为三种路线：硅氧(氧化亚硅)；预镁硅氧；预锂硅氧。硅碳负极主要分两种技术路线：砂磨纳米硅与石墨混合；CVD法将纳米硅沉积到多孔碳。1、硅氧工艺技术简介采用氧化亚硅与石墨材料复合。氧化亚硅的结构中存在一定的氧原子，这使得其在嵌锂过程中的体积膨胀相比纯硅材料大大减小，循环性能得到较大提升。其优点是循环性能和倍率性能较好，率先在动力电池领域得到应用。缺点是首效较低，需要通过预镁或预锂工艺提升首效，且制备工艺较为复杂，成本较高。硅氧常用量产制备工艺：Si+SiO2-高温炉热处理一冷凝一氧化亚硅(SiOx)前躯体一粗碎一粉碎一CVD炉炭包覆一第1代硅氧。相较单质硅颗粒，氧化亚硅(SiOx)在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善，但是氧化亚硅在充放电过程中会生产Li20等非活性物质，导致SiOx材料首次效率较低(约70%)。预镁硅氧常用量产制备工艺：Si+SiO2+Mg-高温炉热处理一冷凝一预镁的氧化亚硅(SiOx)前躯体一粗碎一粉碎一CVD炉炭包覆一第2代预镁硅氧。通过预镁阻止SEI膜合成可将首效提升到80%左右。但综合来看，由于预镁化产品普遍克容量不高，预镁工艺会增加10-20万/吨的材料成本，但首效仅提升到82%-83%左右，对于电芯厂来说性价比较低。同时由于镁热反应产热较大，预镁材料晶粒变化相对较大，不利于材料循环性能。预锂硅氧常见量产制备工艺：Si+Si02-高温炉真空热处理一冷凝一氧化亚硅(SiOx)前躯体一粗碎一粉碎一CVD炉炭包覆一第1代硅氧一添加锂粉或锂的氧化物混合一烧结一第3代预锂硅氧。在第2代预镁硅氧基础上进一步提升了首效(ICE提升至86%-92%),但是目前能够兼顾安全稳定、成本较低、可大规模生产的预锂化技术还不够成熟。2、硅碳工艺技术简介将硅与石墨材料混合，硅作为活性物质提供高容量，碳材料作为载体缓冲硅在充放电过程中的体积膨胀，同时提高负极材料的导电性能。碳材料的包覆能在其表面形成SEI膜，抑制电解液对负极的侵蚀，从而提高循环性能。硅的引入使得硅碳负极具有较高的克容量,相比传统石墨负极，其能量密度有显著提升。并且其制备工艺中碳材料复合和烧结等步骤技术较为成熟。但硅在脱嵌锂离子时体积膨胀较大，这会导致硅颗粒分化及SEI膜的破裂增厚，影响电池的首充效率与寿命。硅碳常用的量产制备工艺：工艺硅一三氯氢硅一块状硅一砂磨法一纳米硅粉一与石墨复合一第1代砂磨纳米硅炭负极。研磨法主要的问题就是粒径较大，且容易引入杂质，纯度较低，且粒径分布不能有效控制。气相沉积硅碳技术路线：硅源一热分解一无定型纳米硅+多孔碳骨架一气相沉积硅碳一CVD炉碳包覆。核心是通过低成本生产一种多孔碳骨架来储硅，并通过多孔碳内部的空隙来缓冲硅嵌锂过程中的体积膨胀，因此膨胀率低，循环优异。同时由于生产流程短，设备少，理论成本低，被认为是最有前景及性价比最优的批量应用硅负极解决方案。