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硅基负极材料行业报告:高能量密度锂离子电池(18页)

行业报告下载 2020-07-09 1 管理员

锂离子电池主要是由正极、负极、电解液、隔膜等部分组成,其中正、负极为 活性组分,是能量存储的载体。锂离子电池工作原理:以钴酸锂和石墨负极为例, 1)充电时,电子从正极转移到负极,同时钴酸锂中的锂失去电子成为锂离子进入 电解液,锂离子穿过隔膜后进入石墨负极,并在负极接受电子还原成为锂。2)放 电时,锂在负极失去电子后,穿过隔膜回到正极,并在正极接受电子被还原,完成 放电。鉴于锂离子的这种传输特点,锂离子电池又被称为“摇椅电池”,其中电极 材料脱嵌性能是锂离子电池性能的决定因素之一。石墨是目前动力电池负极材料商业化应用的主流。目前商业化的负极材料主要 有石墨(天然石墨和人造石墨等)、无定形碳(软碳和硬碳)、钛酸锂及硅基材料(纳 米硅碳材料、氧化亚硅和无定形硅合金)。2019 年动力电池用负极材料中石墨负极 材料的出货量占比达 97%以上。

锂离子电池的能量密度不断提升。1991 年索尼公司第一批商业化锂离子电池 能量密度相对较低(能量密度 80 Wh/kg 或 200 Wh/L),现在先进的高能量密度锂离 子电池可以实现 300 Wh/kg 或 720 Wh/L。具有高克容量和低电位等优势,硅基负极材料是最具商业化潜力。硅锂化后具 有很高的理论克容量,约 4200 mAh/g,是石墨的 10 倍左右。同时,硅还具有较低 的电化学嵌锂电位(约 0.4 V vs. Li/Li+),不存在析锂问题、储量丰富等优点,是公 认的非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。根据《高能量密度锂 离子电池硅基负极材料研究》中指出,如果不使用富锂正极,当电芯能量密度要达 到 280Wh/kg 以上时,就必须使用硅基负极。

硅是通过合金化储存锂,合金化反应伴随巨大的体积变化。在充电时,硅被锂 化,Si 和 Li+产生一系列的反应,并且体积变化不断增大。首先,硅颗粒外层出现 非晶态的 LixSi,内层依然保持晶态硅。随着锂化程度的加大,硅完全锂化生成 Li22Si5 时,其理论容量将达到 4200 mAh/g ,体积膨胀 320%,而碳材料只有 16%。放电 时,Li22Si5 会分解成 Li+和 Si,体积随之变小。

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标签: 新能源|电力|电池|储能

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