有关如何优化硅基负极材料的问题,在报告《锂电池行业硅基负极专题报告:4680电池引领需求,历经蛰伏将迎爆发》中可以找到答案,具体以原报告内容为准,下面的内容也出自该报告。
负极预锂化能大幅度提高锂离子电池的首次库伦效率、弥补不可逆容量损失。硅基负 极首效较低,主要是因为硅材料比表面积较大,导致电极在首次嵌锂的过程中产生大面积 SEI 膜,从而消耗电池中的锂离子。预锂化(预嵌锂),是指在锂离子电池工作前向电池内 部增加锂来补充锂离子。预锂化不仅可以增加锂离子电池在循环过程中的活性锂含量,从 而获得更高的比容量,还有利于提前调节负极表面 SEI 膜的形成,保证了锂电池循环稳定 性与能量密度。
负极预锂化工艺难度高,规模使用利好成本下降。预锂化有正极补锂与负极补锂两种 方法。负极补锂的方式主要包括锂箔补锂、硅化锂粉补锂和电解锂盐补锂等。但是现阶段, 由于金属锂的使用与生产环境、常规溶剂、粘结剂及热处理等过程不兼容,相比于正极补 锂,负极补锂由于成本与工艺原因,难度相对较高,预计随着硅基负极的需求提升,相关 成本将会下降。

改进硅碳材料可使其性能更高,主要改进方法包括改进碳材料和添加新材料。目前硅 基材料的改进方向包括:(1)选用硅碳(Si-C)复合材料或者硅氧(SiO-C)复合材料; (2)选用纳米碳、石墨烯等新型导电剂材料。
1)硅-碳(Si-C)复合材料:硅的低导电性与体积膨胀问题是前期硅基负极商业化应 用限制的主要原因。而减小硅的尺寸到纳米级别,可以减小材料在充放电期间的应力影响。 硅颗粒的临界尺寸为 150nm,因此当尺寸小于 150nm 的硅颗粒用于负极端的时候,即使 在嵌锂过程中发生体积改变,开裂的几率将大幅度减少,因此纳米硅-碳(Si-C)负极作为 商用化较早的负极使用。
2)硅氧(SiOx-C)复合材料:相比于硅碳(Si-C)复合材料,硅氧负极的理论比容 量为 2400mAh/g,完全锂化膨胀率为 150%左右,由于氧化亚硅在嵌锂过程中会原位形成 氧化锂,有助于克服体积膨胀,使得材料形成稳定的 SEI 膜,但由于氧化锂的形成会消耗 大量锂离子,因此通过将氧化亚硅与碳材料复合后,可以提升材料的导电性、循环稳定性。

3)导电剂-碳纳米管:有效抑制硅基负极的膨胀,极大提升导电性。碳纳米管分为多 壁碳纳米管和单壁碳纳米管,单壁碳纳米管的导电性是多壁碳纳米管的 10 倍,添加量少 但效果好。此外,单壁碳纳米管的高柔韧性和长径比,还可有效解决硅基负极的膨胀问题。