我國鋰離子電池負極材料市場規模隨著新能源汽車的興起及鋰離子電池等產品的發展增長迅速，目前已有百億規模。目前商業上能夠實現大規模應用的負極材料是石墨，其實際比容量的發揮已接近理論值（372 mAh/g），有限的容量已無法滿足市場對高比容量LIBs 的需求。因此，尋求具有更高理論比容量、循環壽命長、安全穩定性高以及生產成本低的 LIBs 負極材料迫在眉睫。而硅基負極作為一種低成本、高容量、低電壓平臺的下一代熱門負極材料，受到非常多的關注。本期┊光子灣┊將會為大家介紹鋰離子電池負極材料以及硅基負極的優缺點。

Part.01

鋰離子電池負極材料

隨著便攜式電子設備和電動汽車等行業的迅猛發展，對高效能電源的需求急劇增長，鋰離子電池（lithium ion batteries，簡稱LIBs），因其具有高能量密度、高工作電壓、長循環壽命、無記憶效應等優點，成為目前發展最為迅速的儲能器件。目前，行業中研究的鋰離子電池負極材料種類有很多，如石墨、硬碳和軟碳等碳材料，鈦酸鋰，硅基和錫基材料。下方為這些材料的主要性能參數。

典型負極材料的理化性能和電化學性能

在鋰離子電池的充放電循環中，鋰離子在負極材料中反復經歷嵌入和脫出過程，伴隨電化學氧化/還原反應。為確保電池的優異電化學性能，負極材料通常需滿足以下條件：

• 鋰離子嵌入和脫出時電壓較低，使電池具有高工作電壓

• 質量比容量和體積比容量較高，使電池具有高能量密度

• 主體結構穩定，表面形成固體電解質界面(SEI)膜穩定，使電池具有良好循環性能

• 表面積小，不可逆損失小，使電池具有高充放電效率

• 具有良好的離子和電子導電能力，有利于減小極化，使電池具有大功率特性和容量

• 漿料制備容易、壓實密度高、反彈小，具有良好加工性能

• 安全性能好，使電池具有良好安全性能

具有價格低廉和環境友好等特點

Part.02

硅基負極

硅基負極由于其高理論比容量被視為是繼石墨之后最具發展前景的負極材料。其獨特的優點包括：

• 理論比容量高，Si完全鋰化至Li4.4Si時理論比容量可達到4200mAh/g（約為石墨的10倍）；

• 工作電壓合適（約0.2～0.3Vvs.Li/Li+），可直接與商用正極材料（如LiCoO2、鎳鈷錳三元材料等）匹配制作全電池；

天然資源豐富、價格低廉及環保等。

盡管硅基負極有許多優點，但同樣也存在一些問題限制了其商業化的應用。硅基負極的儲鋰機制為合金化反應機制，鋰化過程中硅材料會發生嚴重的體積膨脹。在電池工作過程中，反復的體積變化會導致電極材料的結構崩潰、固體電解質界面（ solidelectrolyte interphase，SEI）的反復形成，造成活性Li+的不可逆損耗和容量的快速衰減，從而使得硅基LIBs 的首次庫倫效率和循環壽命降低。

Si基負極失效機理

為了解決以上問題，研究者們做了大量的工作，包括：

• 對硅基材料進行結構設計與改性，縮短Li+傳輸距離，增強材料導電性與穩定性，提高Li+的利用率；

• 研發具有足夠粘接力的粘結劑，保持循環過程中硅與集流體之間的良好電子傳輸，實現穩固的電極結構；

開發可以改善循環性能的電解液添加劑等策略，在電極表面提前成膜形成功能性SEI以改善負極/電解液界面不穩定問題。

硅基負極改性策略

隨著對硅基負極材料研究的不斷深入，我們有理由相信，硅基負極材料將克服現有挑戰，成為鋰離子電池負極材料的下一個重要選擇。其高理論比容量、適宜的工作電壓和豐富的自然資源，使其在能源存儲領域具有巨大的應用潛力。未來，隨著技術的進一步發展和成本的降低，硅基負極材料有望在鋰離子電池市場中占據重要地位，推動能源存儲技術向前發展。無論是在材料科學的最新突破，還是在鋰電領域的深入研究，光子灣科技都扮演著至關重要的角色，以滿足市場對高性能鋰離子電池的迫切需求。

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