2023年3月31日，由上海钢联资讯科技有限公司主办，上海期货交易所、索通发展股份有限公司协办的2023 新型负极材料创新研究与应用研讨会在长沙世景广场皇冠假日酒店召开。
31日会上，天津力神电池股份有限公司的王琳博士就《棋逢敌手难藏行-论新型负极材料的研究进展》进行演讲。报告从三个部分展开。
一、天然石墨材料的开发与应用
人造石墨相比天然石墨，具有循环好、膨胀小、容量高、成本低等优势，天然石墨颗粒的内部缺陷在循环膨胀中应力分布不均匀，导致表面开裂，电解液渗入，循环跳水。在此，王琳教授提出：天然石墨如果能够降低膨胀、提升循环，市场会不会发生变化？
第一代天然石墨使用的是表面碳化工艺，后期因界面改善、电解液适配性提升等需求，第二代天然石墨-表面石墨化工艺出现，在碳化的基础上再进行石墨化，最后得到石墨化品，但第二代石墨化品依旧存在问题：外部结构与内部缺陷，其根本解决方法是循环膨胀降低及界面反应减少。新型天然石墨必然要满足高容量、长循环、低膨胀、低成本的指标。
二、硅基负极材料发展与应用
硅基负极的体积效应至变形体尺寸越大，其化学成分和微观组织分布越不均匀，造成颗粒局部粉化，如此循环往复颗粒最终完全粉化。硅负极材料现有机械研磨法和气化沉积两个路线，机械研磨法初始效率高，但循环性能较差，多用于电动工具、超级跑车、智能家居等领域；气化沉积则反之，多用于电动汽车、电动二轮车、消费类电子等领域。Si/C循环后颗粒粉化、破碎，而SiO循环后颗粒完整，但表面开裂生成SEI。
影响硅碳材料应用的关键指标为：硅晶尺寸、包覆处理、复合结构及加工性，其结构稳定性与加工性不良应最为重视。机械研磨的硅颗粒至100nm已接近极限，难以继续减小，可通过气化沉积完成硅晶进一步的做小，气化沉积得到的SiO中的硅晶为纳米级。
为解决硅氧负极材料高膨胀、低导电性等特性，可以施行碳包覆工艺来容纳活性中心的体积膨胀、稳定界面，阻止电解液向中心渗透、提高导电性，碳包覆有单一相包覆与混合气源包覆两种方式，CVD包覆循环容量保持率和一致性均优于固相包覆，混合气源包覆循环性能较好。
温度对于材料性能也有较大影响：在1100℃的高温区，碳层有序，电导性好，但Si晶大，循环性能差；在800℃低温区，Si晶小，膨胀控制好，但SiO2基体活性高，首周不可逆容量大碳层无序性与电导性差，包覆温度过高，初始容量相同，循环性能不同；包覆温度过低，初始容量不同，循环斜率相同。
掺杂对材料也会有影响，SiO嵌锂多为硅锂合金与硅酸盐，其中硅锂合金大部分可逆，而硅酸盐大部分不可逆，SiO经过预镁或预锂处理后，首次效率提升，克容量降低，硅晶尺寸增长。预镁硅负极存在的关键问题是Mg的分布，前端预镁是指前驱体合成过程中引入金属镁，Mg分布均匀；而后端预镁会使外层Mg含量高，内部Mg含量低，分布不均匀。预锂硅负极的关键问题有：硅酸盐、硅晶控制以及残碱控制，硅酸盐结构影响预锂SiO性能，硅晶控制可以通过前驱体控制、设备改善、工艺调整等方式解决。下一代的硅材料将是硅晶<5nm、多元包覆、新结构的产品。
三、负极体系研究
王琳教授提出问题：用循环好的石墨搭配硅材料能得到循环最好的硅负极吗？哪种石墨和硅材料搭配合适？实验表明，石墨化度越高，材料越软，硅负极膨胀时可以给予其弹性束缚，保持结构稳定；石墨化程度越低，材料越硬，硅负极膨胀时与石墨“硬碰硬”，造成结构破坏，但单纯追求高石墨化度也是不可行的，石墨选择三要素为：高石墨化度、低OI值、高容量。
硅负极极片工艺分为里层分布与表层分布，两种方式最大差距一是在吸液速率，里层高于表层；一是在极片界面电阻，表层高于里层。目前能量密度最高的电池为21700电池。
免责声明∶以上内容为嘉宾个人学术观点，未经嘉宾本人审核，不代表本网观点和立场。