中科院李峰：硅负极发展报告

李峰2.硅基负极及挑战1研究背景“碳达峰、碳中和”新能源汽车大规模储能笔记本电脑储能技术是能源结构的核心，社会基础设施，2==ForceP=UIE=UItLife=Reliability+EfficiencysLife=Reliability+Efficiency4研究背景 研究背景“rockingchairbatteries”从能量密度看电池百年发展历史H.Li,etal.EnergyEnviron.Sci,2011,4,2DatafromD.LindenH.Li,etal.EnergyEnviron.Sci,2011,4,256研究背景动力锂离子电池负极材料:《中国制造2025》:能量密度>300Whkg-1,价格<1.5RMBWh-1。地壳丰度第二的元素硅基材料是最有潜力的下一代动力电池负极材料。2.硅基负极及挑战4.面向产业化需求硅基负极及挑战高达300%高达300%8硅基负极及挑战体积膨胀、无定型相转化。体积膨胀导致电极失效。硅电极循环后的SEM图，经过d)3,e)8,f)50次循环，比例尺：20μm92.硅基负极及挑战4.面向产业化需求解决方案F.Li,etal.SmallStruct.2021,2,2100009highlightbycover解决方案u提高结构稳定性u缩短电子/离子传输距离u提高结构稳定性u缩短电子/离子传输距离u缓解体积膨胀/收缩应力u避免颗粒粉化相辅相成u高的表面活性u缓解体积膨胀/收缩应力u避免颗粒粉化解决方案表面包覆相辅相成u稳定SEI膜相辅相成u提高导电性u减少副反应多孔石墨解决方案硅烷气体，形成不同硅沉积厚度的多孔材料。对低电极膨胀材料设计提供指导Adv.EnergyMater.2019,9,解决方案ACSNano2020,14,4374−4382解决方案Adv.Mater.2021,2103095解决方案Si/C–G//LFP多巴胺碳包覆：阻止颗粒内部形成SEI膜；石墨烯：保持结构稳定，防止导电环境遭到破坏F.Li,etal.J.Mater.S解决方案结构设计:硅/石墨/碳复合材料振实密度:1.0gcm-3ICE=92%Nat.Energy2016,1,16113解决方案新型粘结剂:u提高电极机械强度u提高电极机械强度u促进电子/离子传输高弹性粘结剂Science2017,357,279–283导电聚合物粘结剂Nat.Commun.2013,4,1943解决方案新型粘结剂:高弹性微米硅,2.1μm机械性能Science2017,357,279–283ICE=91.22%解决方案新型粘结剂:刚柔并济、自愈合、高弹性PAA:聚丙烯酸HEA:丙烯酸羟乙酯DMA:多巴胺甲基丙烯酰胺Joule2018,2,950–961解决方案新型粘结剂:高导电NanoEnergy2017,36,206–212解决方案新型粘结剂:金属交联Adv.EnergyMater.2018,8,1702314Adv.EnergyMater.2020,10,1903110Adv.Sci.2021,8,2004290提高粘结剂交联度提高电极电子/离子传输性用锂作为交联金属,可提高ICE解决方案uu稳定SEI膜u获得优良的高低温性能u促进电子/离子传输新型溶剂新型锂盐Nat.Energy2020,5,386–397ACSAppl.Mater.Interfaces2019,11,29780解决方案新型添加剂:添加剂先还原,形成稳定的钝化层如还原电位FEC(1.1V)高于EC(0.7V)Chem.Rev.2020,120,13312−13348Joule2019,3,2322–2333VC、FEC等先还原成稳定的聚合物,防止溶剂进一步被还原解决方案溶剂还原电位远低于锂盐只有锂盐发生还原生成氟化锂，溶剂没有被还原，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.硅基负极及挑战4.面向产业化需求4.面向产业化关注指标:面向产业化高面容量:有限的体积内,更多活性物质及容量发挥面向产业化高首次库伦效率:减少首圈的容量不可逆消耗面向产业化成本:面向产业化低电极膨胀:电芯空间有限,需将电极膨胀控制在10%以内厚度嵌锂后增幅<10%uu一般基础研究经常忽略这项指标,但产业化必须考虑。F.Li,etal.SmallStruct.2021,2,2100009面向产业化硅/石墨/碳复合材料:最适合产业化面向产业化硅/石墨/碳复合:SSP/G:硅/石墨和沥青喷雾干燥混合LSG:硅/石墨和沥青液相(THF)混合CSG:硅/石墨气相混合后气相包覆硅/石墨复合方式直接决定了电极的膨胀率Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,110–135面向产业化硅/石墨/碳复合:相比于其它碳源(包覆+连结),沥青具有独特的优势Adv.EnergyMater.2019,9,1803121面向产业化资料来源：前瞻产业研究院，贝特瑞公开发行股票说明书，新时代证券研究所面向产业化《高能量密度锂离子电池硅基负极材料研究》《高能量密度锂离子电池硅基负极材料研究》面向产业化纳米硅颗粒:<200~300nm资料来源各公司官网面向产业化种类容量(mAh/g)膨胀(%)颗粒尺高(300)高良硅氧2680(SiO)(200)低氧化亚硅不可逆反应,生成成硅酸锂和氧化锂,氧化亚硅不可逆反应,生成成硅酸锂和氧化锂,造成首效低。但是可有效缓冲脱嵌锂产生的体氧化亚硅负极材料发展较晚,具有更小的体积膨胀和更好的循环稳定性对于动力电池更为重要。面向产业化面向产业化21700面向产业化《中国制造2025》动力锂电池的发展规划2.硅基负极及挑战4.面向产业化需求