硅的儲能密度是現有鋰電池負極材料的10倍，為什么還不換？
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2025-07-25
【概要描述】續(xù)航1000公里的電動車引起的軒然大波，從電池材料的角度來分析它的可行性。
最近蔚來和上汽相繼提出了未來能續(xù)航1000公里的車型，引起一場動力電池業(yè)界軒然大波。借著這股熱潮，我們探討一下鋰電池如何在電池負極材料上進行研究升級，從而提升電池的整體能量密度，以實現更高的續(xù)航里程。
目前的鋰電池負極材料主要是基于碳元素的石墨，在電池充電時充當鋰離子和電子的載體?？梢詫⑹钠瑢咏Y構想象成是圖書館里的書架，充電時鋰離子從正極進入到負極，然后按照6個碳原子固定1個鋰離子的比例（LiC6）將鋰離子安插在石墨書架上。這個比例就決定了石墨負極材料的最高儲能密度為每克372毫安時。
要提高負極材料的能量密度，其中一條途徑就是尋找能安插更密集鋰離子的書架材料?？蒲腥藛T發(fā)現硅材料可以按照4個硅原子固定15個鋰離子的比例（Li15Si4）存儲鋰離子，從而將負極材料的最高儲能密度提升到每克3579毫安時，是石墨負極最高儲能密度的9.6倍。
材料帶來如此巨大能量密度提升的同時，也帶來了一個巨大的問題：儲存鋰離子數量的提高會造成硅材料體積的急劇膨脹，這就像書架上插入過多的書本后書架會被撐大。石墨負極材料吸收鋰離子后體積最多膨脹40%，而硅材料最多會膨脹360%。如此巨大的體積膨脹帶來了一些實際應用上的困難，下圖所示就是其中三個最主要的問題：
1. 硅顆粒碎裂（Pulverization）：硅顆粒吸收鋰離子后體積膨脹，釋放鋰離子后體積收縮，由于硅顆粒偏剛性，如此反復膨脹和收縮就會導致顆粒碎裂，碎開的部分不再與電極保持電流通達，從而變成無用的材料，降低電池的儲能容量。
2. 不穩(wěn)定的固體電解質界面膜（Unstable SEI）：通常的石墨顆粒在首次充電時，會在表面形成一層固體電解質界面膜，這層膜起到保護內部石墨材料和外部電解質的作用，避免它們相互接觸繼續(xù)反應而消耗掉有用成分。石墨顆粒在充放電時體積變化小，界面膜依靠自身的韌性可以保持不破裂，因此從第一次充電后就不再變化。換成硅顆粒后，由于硅顆粒的體積變化大，界面膜在最開始的充放電循環(huán)時，每次放電收縮時會將形成的界面膜破壞，下一次充電會繼續(xù)在破裂的膜上面繼續(xù)形成一層新的膜。如此反復膜的厚度不斷增加，嚴重阻礙鋰離子和電子進入膜內的硅顆粒，同時也大量消耗了膜內的硅材料和膜外的電解液，迅速降低電池的儲能容量，最后導致電池失效。
3. 電極失效（Electrode failure）：負極材料要起作用，必須保持與電極片銅箔的電流通達，這樣電子才能通過銅箔傳遞到負極材料里。硅顆粒在一開始因為緊密堆積相互接觸，能保持與銅箔的電導性。當反復充放電后，硅顆粒由于自身的膨脹與收縮，顆粒之間就會逐漸拉開距離形成空隙，原來緊貼銅箔的顆粒也會逐漸脫落，使負極內部失去電導性，從而使得電池失效。
因為以上的這些問題，純硅負電極材料暫時還無法實現，但是人們已經在嘗試用硅材料替代部分石墨材料制作硅碳復合負電極，目前替代的比例從5%到20%不等，也使得負電極的儲能密度實現提升50%到150%不等。但即便是少量的替代石墨材料，人們依然需要解決硅材料的體積膨脹給負電極帶來的影響，目前最常用的解決方法是使用納米級別的多孔硅材料，給硅顆粒的內部預留出足夠的空間，讓它體積膨脹時占用預留的內部空間，而不會造成外部體積的明顯變化，從而保持負極的穩(wěn)定性。
關于如何設計多孔硅顆粒及如何與負極里的石墨材料、電解液和粘接劑保持良好融合，我們將在以后的文章里再一一解釋，同時也會介紹到從事相關研發(fā)工作的科研機構和公司。