中国粉体网讯 随着电动汽车的高速发展，近年来动力电池逐步向具有高比能量型快充动力电池发展，传统石墨负极材料已逐渐难以满足电池快充需求。
合金型负极材料主要为IV和V族元素，例如 Si、Sn、Ge和Sb等。由于合金类负极材料的每个原子都能嵌入多个锂离子，因此其都有很高的理论比容量。如硅高达4200mAh/g，Sn能达到993mA/g。这是近来被研究的最多的材料，也是最有希望能取代石墨类的负极材料。
硅具有极高的比容量（理论可达4200 mAh/g，实际也能达到3600 mAh/g）和较低的储锂电位，是新型高能量密度电池的理想负极材料。但是硅材料是半导体，其导电性不如石墨，这严重限制了其倍率性能和低温性能，硅嵌锂过程中体积膨胀超过300%，而且在脱嵌过程中硅颗粒容易破裂而失去电接触，同时新暴露的表面与电解液反应形成固态电解质 (SEI) 也会消耗活性。
锡，导电性好，延展性好，相比于硅，在脱嵌锂过程中不易破裂，且具有快速充放电能力和良好的低温性能。但其比容量要低很多(最高994mAh/g)，也存在一定的体积膨胀。
因此，若能将锡和硅的优点结合起来，并解决它们所存在问题，发挥出他们各自的优势，可望获得性能优异的高容量负极材料。
研究者通过球磨法和气相法设计并合成了一种碳包覆锡纳米线嵌硅复合负极材料。
碳包覆锡纳米线嵌硅结构示意图
这种材料的外表面的导电碳包覆层能有效地避免纳米硅和锡材料与电解液直接接触而形成稳定的SEI，因此能缓解纳米硅和锡的体积膨胀并保持纳米里面的纳米颗粒不破裂。一般体积膨胀会导致极片开裂，复合负极材料中的锡包覆层和导电包覆层由于有一定的长度，同时有很好的柔软性和弹性，能够保证线状材料不断裂，并且线状纳米复合负极材料之间通过面与面相接触，接触面积更大，从而能够实现良好的电接触。在第一次充电时由于外表面导电包覆层的存在，虽然整体发生膨胀，但并不发生破裂，而且膨胀率明显低于200%。再次脱锂时也不会变化，内部形成孔洞，因此后续再次脱嵌锂时，整个纳米管不会再膨胀，长期循环外壳结构依旧能保持稳定。0.2C的倍率下300周循环后比容量在1500mAh/g以上。
这种碳包覆的线状结构不仅能在长循环过程中能够有效缓解锡在脱嵌锂过程中巨大体积变化，同时脱嵌锂过程中，由于硅的导电性差，脱嵌锂速度慢导致充放电速度慢，但这种纳米锡硅复合负极材料是硅先通过锡来传导锂离子，传导速度迅速提高，其倍率性能大大提高。
碳包覆锡纳米线嵌硅复合负极材料同时发挥了硅高容量和锡高倍率性能的优势，又克服了硅低导电性和脱嵌锂过程中容易破裂等缺点。
针对各类负极材料的产业化技术与国内外市场状况，中国粉体网将于10月25-26日在东莞举办“第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛“。我们有幸邀请到松山湖材料实验室的金周高级工程师，届时他将带来题为《高容量硅锡合金负极的研究》的报告。
金周，中国科学院物理所凝聚态物理理学博士，松山湖材料实验室博士后，从2016年以后，一直在中国科学院物理研究所从事于锂离子电池合金负极材料的研究，并于2020年在松山湖材料实验室致力于合金负极材料的产业化工作。已发表SCI论文4篇，已申请发明专利21项，授权5项，其中PCT授权3项。
参考来源：
1.金周 锂离子电池复合合金负极材料的合成与研究
2.王鸿、杭弢等 锂电池硅锡合金负极的电沉积制备
3.芒来、李卫 锂离子电池锡基负极材料的改性研究进展
（中国粉体网编辑整理/乔木）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
