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硅基负极的比容量达到4000mAh以上，是石墨负极的10倍以上，被普遍看做理想的下一代锂电池负极材料，也成为各大材料和电池企业重点研发的对象。与此同时，硅基负极也存在诸多问题，制约了硅基负极的产业化应用。本文将介绍硅基负极的主要痛点及产业中的解决方案，供读者参考。1硅基负极的主要痛点（1）材料膨胀。硅基负极材料在脱嵌锂过程中会产生巨大的体积膨胀，硅的膨胀率为300%，而石墨的膨胀率仅为12%左右。材料膨胀产生的应力导致材料颗粒粉化、电接触不良、电极结构崩塌等问题，进而导致性能快速衰减。（2）低首效。锂离子电池在首次充电时，电解液会在负极表面反应，形成SEI膜，会消耗活性锂离子，造成不可逆的容量损失。硅基负极的首次库仑效率通常为65%-85%，远低于商业化应用的石墨负极90%-94%。（3）容量衰减。材料在充放电过程中的膨胀会反复破坏SEI膜，使硅材料暴露在电解液中，持续生成SEI膜，消耗活性锂，造成容量衰减。（4）导电性差。硅是一种半导体材料，其本征电导率和离子扩散系数较低；同时硅基负极的SEI膜电导率低，且厚度过大，也是影响锂离子和电子的传输速度的重要原因。硅基负极的大多数问题都来源于硅与电解液在固液界面上的反应。硅材料会与电解液中的六氟磷酸锂大量反应，生成过厚且导电性差的SEI膜，消耗活性锂，降低电导率；同时SEI膜反复破碎和持续生成，会进一步造成活性锂的消耗。2主要解决方案各企业和科研机构为应对硅基负极在使用中的问题，开发了多种技术方案，包括纳米化、包覆、硅炭复合、硅氧复合、预锂化、改进粘结剂和添加剂等措施。（1）纳米化。硅纳米材料表面的原子具有高的平均结合能，它们可以在体积膨胀的过程中更好地释放应力，有效地避免结构的坍塌。硅颗粒尺寸越小，电池循环性能越好，理论上来讲，硅颗粒降至20nm就可以完全解决膨胀问题。因此在2021年之前，通过研磨降低硅材料粒径在产业中得到广泛应用。但是机械研磨很难将粒径降低至100nm以下，同时容易引入杂质，难以控制颗粒形状和粒径分布，因此性能改善有限，一般用于对性能要求不高的3C电池。（2）包覆。包覆是在纳米硅的外层包覆一层炭作为保护层，或者在炭层之外再包覆一层陶瓷。包覆可以大幅提升硅基负极的性能。首先，包覆层可以阻止硅与电解液的接触，阻止SEI膜的生成，防止活性锂的损失；其次，炭的存在可以改善电极导电性。如果包覆完整，首效性能会得到大幅提高，电导率也会有数量级上的提高。包覆的关键是阻止氟离子渗入，阻止硅溶出，以及保证包覆的完整性。如果包覆不完整，或者硅溶出来，在颗粒表面生成SEI膜，包覆作用就会大打折扣，造成活性锂损失以及电导率下降。（3）预锂化。预锂化是在硅基负极材料中提前嵌入锂离子，补充用于生成SEI膜和副反应的活性锂，从而提高首效，减少容量衰减。预锂化技术主要用于硅氧复合材料。目前的预锂化技术有物理预锂、化学反应预锂和电化学预锂等。（4）硅氧复合。硅氧复合采用的结构是碳包覆氧化亚硅，是比较成熟的技术路线，已进入产业应用阶段。工艺是以硅和二氧化硅作为原料，在高温条件下通过歧化反应形成氧化亚硅，再进行炭包覆。其原理是SiOX在嵌锂时与Li发生反应，生成单质Si、Li2O和锂硅酸盐，然后Li再与生成的Si发生合金化。本质上是通过化学反应产生粒径极小的Si，从而解决了膨胀问题。硅氧复合材料的缺点是成本较高，首次效率较低，但循环性能相对较好。由于首效较差，往往需要预锂化提升首效。（5）硅炭复合。硅炭复合是将硅颗粒分布在炭载体上，炭载体作为支架，提供电子离子通道，同时炭孔可以缓冲硅膨胀带来的应力。这种结构的循环性能较好，但硅含量一般较低。这一技术路线以美国Group14公司开发的气相沉积硅碳为代表。该技术以海绵状的多孔炭为载体，在其中通入硅烷气体，通过加热使其分解，生成纳米硅颗粒沉积在多孔炭内部。这种技术生产出来的产品硅颗粒小，产品组分均匀、结构致密，材料膨胀率低，循环性能得到显著提升，是目前最有前景、最有望大量用于动力电池的工艺路线。（6）改进粘结剂、添加剂等辅材。合适的粘结剂可以缓解体积膨胀，维持SEI膜结构以及电极结构的稳定。传统的PVDF与电极材料之间的粘接主要依靠较弱的范德华力，难以承受硅负极体积变化产生的巨大应力。现在常用富含羟基和羧基等极性官能团的CMC-SBR（羧甲基纤维素钠-丁苯橡胶）和PAA（聚丙烯酸）体系作黏结剂，与材料形成较强的氢键，来抑制材料体积膨胀，保持结构完整。通过在电解液中加入合适的添加剂，可以形成稳定致密的SEI膜，阻止硅与六氟磷酸锂持续反应，从而提高硅负极的循环性能。当前，对硅负极有效的添加剂主要有碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、二草酸硼酸锂、丁二酸酐等。石大胜华在硅基负极领域拥有硅氧负极SH-P01、硅氧负极SH-H02、硅碳负极SH-S01、硅碳负极SH-S02四款产品。公司本着“科技服务科学、科技服务品质”的宗旨，不断提高技术能力和产品品质，以满足消费者不断提高的产品性能需求。石大胜华坚持在新能源、新材料领域深耕，致力于向全球持续提供新能源、新材料优质产品和最佳解决方案，为推动新能源行业的发展贡献智慧和力量，为人类提供更加绿色、环保的生活环境。
