Page 145 - 能源动力工程的发展与展望

第五章 锂离子电池

1.0~3.0V 区间内的电压平台远高于锂枝晶的生成电压，因而安全性优于石墨负极；
但是，其比容量低、比能量密度低且充放电过程将导致电解液分解胀气。截止到
2018 年 12 月，Li 4 Ti 5 O 12 的商业化量依然很少，负极市场占有率不足 5%，与石

墨相比优势不明显。为抑制 Li 4 Ti 5 O 12 的胀气现象，目前大量的报道仍集中在对其
进行表面包覆改性。

三、硅碳负极

硅碳 负极（SiOx/C，0 ≤ x ≤ 2）是 顺应市 场需 求的产 物，具有 比石
墨和 Li 4 Ti 5 O 12 更高的质量比容量。单质 Si 的比容量高达 4200mA·h·g–1
和 9786mA·h·cm–3，高于金属 Li 的比容量（3620mA·h·g–1、
2407mA·h·cm–3）。但 Si 插 Li 后体积膨胀率达 320%，极大地限制了其应用。

将硅单质或化合物分散在碳基体中可有效抑制插锂后体积膨胀，同时，碳基体具
有较好的导电性，能提升复合材料的电子电导率，最终大幅地提升电池的循环稳
定性能。根据碳含量不同，SiOx/C 的比容量一般在 500~1500mA·h·g–1，1C
电流密度下循环寿命可达 1000 次。截至 2020 年 6 月，中国的宁德时代、国轩高

科、华为、中南大学、贝特瑞跻身全球 SiOx/C 专利申请数前 50 位。其中，宁德
时代、国轩高科跻身全球 SiOx/C 专利申请数前 25 位。据起点研究院（SIPR）
报告，截至 2017 年，中国的 SiOx/C 工业产量已超过 1500 吨，同比增长超过
130%。在传统石墨负极中加入少量 SiOx 以提高负极总体容量的方法是目前行

业界公认最有前景的产业发展方向。国外许多电芯产业巨头致力于 SiOx/C 产业
化，中国许多电芯企业亦开始布局 SiOx/C 产业化研究生产。现摘录国内贝特瑞
公司官网公布的 SiOx/C 负极数据于表 1。可知，目前 SiOx/C 的商品化比容量大
致为 400~650mA·h·g–1，为石墨负极比容量的 1.2~2.0 倍。石墨、乙炔黑、

MCMB、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维等均可用于 SiOx/C 的碳框架材料。在
结构上，SiOx/C 可分为连续碳层包覆和不连续碳层包覆两类。连续包覆结构（如
核 - 壳结构）能较好地抑制 SiOx 的体积膨胀，减少固体电解质膜的生成，首次
库伦效率较高；非连续包覆结构（如均匀分散结构）能使电解液更好地浸润，

倍率性能较好，但首次效率较低。Si 的电压平台为 0.1~0.4V，与石墨的电压平
台（0.1~0.3V）非常接近，SiOx/ 石墨烯类复合材料的电压平台低于 0.5V。采用
SiOx/ 石墨烯替代传统石墨负极材料不会降低全电池的开路电压（这也是业界认

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