中南大學周向陽教授：CVD法有望成為固態(tài)電池硅基負極的主流制備工藝，但仍面臨一系列挑戰(zhàn)

 

近日，中國粉體網(wǎng)了訪中南大學的周向陽教授，就硅基負極材料的制備技術、挑戰(zhàn)和研究方向等一系列問題進行了探討交流。

 

在固態(tài)電池負極材料的選擇上，周教授認為，固態(tài)電池是目前最有希望突破傳統(tǒng)鋰離子電池性能瓶頸的儲能器件，它可以大幅突破傳統(tǒng)鋰電的能量密度瓶頸，同時，理論上還具有高安全與全場景使用的優(yōu)點。由于目前可實際應用的正極材料的容量均存在天花板（如：層狀結構鈷酸鋰理論比容量274，實際比容量135-140；尖晶石型錳酸鋰理論比容量148，實際比容量100-130；橄欖石型鐵鋰理論比容量170，實際只可發(fā)揮出130-150；層狀三元理論比容量278，目前實際可發(fā)揮的容量為150-200），為了發(fā)揮固態(tài)電池高能量密度的長項，采用高容量負極意義重大。在人們已經研究過的、通過嵌入、合金化或轉換反應實現(xiàn)儲鋰的負極材料中，金屬鋰由于有3820mAh/g的高理論容量與3.7V的電位（鈷酸鋰為正極時）得到了廣泛研究，但枝晶、死鋰和體積膨脹等問題到現(xiàn)在為止沒有從根本上解決，鋰作為負極時的快速循環(huán)衰減和安全風險問題嚴重阻礙了其實際應用進程。在這個背景下，硅負極由于有4200mAh/g的高理論容量與0.4V左右的對鋰電位，為固態(tài)突破容量瓶頸與解決安全問題提供了新的方案。

 

周教授認為，盡管硅負極有上述的優(yōu)點，但嵌/脫鋰過程的體積效應以及本征電導率低（電導率為10-4數(shù)量級）依然是該材料實際使用中不可回避的問題，這些問題帶來的主要后果是循環(huán)差以及難進行高倍率充放電。納米化是解決硅負極問題的有效手段，為此，人們開發(fā)了砂磨法、去合金法、冶金還原法等技術來制備納米硅與高電導組分彌散強化導電性能的微納結構多孔硅；采用納米硅與高電導炭復合也是解決硅負極問題的另一類有效措施，例如，近幾年來大家都在開發(fā)的CVD法。在上述改善納米硅性能的方法中，周教授認為CVD法最有可能成為固態(tài)電池硅負極的主流制備方法，但是這個方法在產業(yè)化方面依然存在一些問題，因為固態(tài)電池和液態(tài)電池對硅負極材料性能要求不一樣，固態(tài)電池中的硅負極最重要的是要解決載流子的輸運的問題，所謂載流子輸運指的是離子和電子的傳輸，離子和電子的傳輸阻抗要進一步降下來，才有可能真正讓固態(tài)電池發(fā)揮自己的優(yōu)勢，因此CVD法依然還要再進一步地改進。

 

 

在硅基負極應用于固態(tài)電池所面臨的挑戰(zhàn)方面，周教授認為，第一個就是離子導電和電子導電的提升，第二個就是體積膨脹效應所帶來的惡化循環(huán)性能、增大界面阻抗問題，因此未來還是要圍繞如何降低載流子在界面與負極體相中輸運阻抗和抑制負極體積膨脹方面開展研究；另外，降低硅負極制造成本，是加快固態(tài)電池產業(yè)化進程的關鍵。

 

目前，周教授團隊對于固態(tài)電池用硅基負極材料的研究方向，第一個工作是圍繞降成本。該研究團隊正在以太陽能光伏領域用的切割粉以及光伏行業(yè)報廢硅片等廉價原料開發(fā)硅負極，這些硅原料大多是晶態(tài)，因為鋰離子沿硅[110]晶面擴散能壘低于其他晶面，導致晶態(tài)硅具有明顯的各向異性，這非常不利于倍率性能的提升。為此，在這方面做了做了很多研究，相關工作發(fā)表在最近的EES與AFM等高檔雜志上，這些研究主要集中在造缺陷與降低其晶粒尺寸方面。第二個工作是構建全新結構的硅負極，希望可以解決載流子輸運與體積膨脹問題。目前正在開展雙導電新結構硅負極開發(fā)以及可獲得高壓實、高電導的全新CVD硅基負極技術研究。關于工作進度，周教授團隊的第一個工作正在做放大驗證試驗，第二個工作還在實驗室研究中。

 

來源：中國粉體網(wǎng)