以锂离子电池为代表的电化学储能技术具有能量大、位置灵活、响应快等特点。它满足了电力系统的技术需求和智能电网的发展趋势。它已成为各国电力研究领域发展最快的储能技术。锂离子电池是“摇椅电池”，其中正极和负极由两种化合物或基本物质组成，可以多次脱嵌。当充电时，正极材料锂、锂离子通过膜片嵌入到电解液中的负极，正极发生氧化反应，放电则相反。

随着电池电极材料的发展，锂离子电池技术得到了迅速发展。目前，锂钴电池已扩展到三元系、锰酸锂、磷酸铁锂、硅碳负极等电池体系。新型硅碳负极锂离子电池突破了石墨作为负极的固有局限性，其性能明显优于传统锂离子电池。它已成为最有前途的储能电池之一。

化学所研发进展及中试放大

纳米硅在硅基负极材料中得到了广泛的认可，但仍存在比表面积较大、库仑效率较低等问题。针对这些问题，化学所项目组研发出一种低成本、绿色无污染、灵活可控的大规模硅基负极材料制备工艺，通过纳微复合结构降低了材料的比表面积，提高了材料的首次库仑效率；且将纳米硅均匀分散在三维导电碳网络中，提升了材料的导电性，使其具有较好的倍率性能。图7显示了该材料的形貌及其电化学性能。

然而，在高压实密度和高质量负载的情况下，要实现优异的电化学性能依然富有挑战。项目组受西瓜结构启发，提出了具有分级缓冲结构优化的尺寸分布双重保护策略的锂离子电池负极硅碳复合微球。该结构能够有效减轻在电极高压实密度下的体积变化和颗粒碎裂。基于实际应用的考虑，所制 备的硅碳负极具有适当的可逆容量为620 mA·h/g，并在较高的面容量（2.54 mA·h/cm2 ）下显示了超过500圈的循环稳定性和优异的倍率性能。

在氧化亚硅碳复合材料方面，项目组主要通过控制氧含量以及与第二相复合对氧化亚硅的电化学性能进行优化。其中，对氧化亚硅中硅晶粒的调控取得了进展并在表面电荷作用下制备出表界面稳定的高容量氧化亚硅碳负极材料，有效地提高了氧化亚硅的首次及后续库仑效率，改善了其循环稳定性。为进一步改善电极材料的高压实条件下的性能，项目组采用包覆工艺，并通过对材料复合过程的控制，也取得了较大进展。比容量500 mA·h/g 在1C充放条件下其电化学性能如图9所示。

项目组在长期科研攻关的基础上，开发了大规模制备高性能、纳微复合结构、高容量硅碳以及氧化亚硅碳复合负极材料的生产工艺，设计建成了硅基负极材料的百吨级中试生产线，获得了高能量密度锂离子电池的关键技术，并拥有多项专利技术（表2）。图10为化学所中试放大情况。

　▍总结与展望

随着电动汽车、消费电子以及储能等领域对锂离子电池能量密度、功率密度等要求的不断提高，纳米硅碳负极材料在未来一段较长时间内将拥有广阔的应用前景。目前硅碳负极材料的总产量尚不足锂电负极材料的 1%，不过随着各大负极企业的扩产和新企业的崛起，预计硅碳材料在2018年底会正式大批量进入市场。尽管目前对于硅颗粒嵌锂膨胀、SEI膜不断破裂生长消耗锂源和电解液等问题还没有非常完美的解决方法，然而经过国内外各大型企业和科研院所的多年努力，部分纳米硅碳负极材料已得到电芯企业的认可。中国科学院掌握了硅碳负极材料早期的核心专利，在产业化方面也不落人后，相信随着各种新思路的涌现以及各种工艺路线的不断优化，一定会将纳米硅碳负极材料的优势更加合理地发挥出来。

文章来源：新能源新技术

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