比亚迪新突破：硅碳复合材料革新锂电池，实现高容量低膨胀

汽车材料网 2024-12-13

在新能源汽车行业迅猛发展的背景下，市场对动力电池的性能要求越来越高，其中能量密度、循环寿命和安全性能等成为衡量电池性能的关键指标。目前，石墨作为动力电池负极材料已难以满足市场对能量密度的需求。

硅材料因其高理论容量（4200mAh/g）、低嵌锂电位和资源丰富，被视为下一代负极材料的有力候选。然而，硅材料在充放电过程中体积膨胀率高达300%，这导致材料结构粉化，破坏了固体电解质界面（SEI）的稳定性，从而降低了嵌锂容量。此外，硅材料本身导电性差，这也限制了其电化学性能。

近期，比亚迪的一项专利公开，展示了一种硅碳复合材料及其制备方法，这种材料在一定程度上解决了硅负极材料存在的导电性差、体积膨胀率高和循环性能不佳的问题，提升了锂离子电池负极的综合性能。这种硅碳复合材料通过利用纳米技术和复合化技术，以及对材料结构进行改性等方法，有效缓解了硅基材料的体积变化问题，并提高了材料的库仑效率和循环性能。

最新技术方案

1. 结构组成分析

在比亚迪公布的专利中，描述了一种由碳基体和硅碳复合层构成的碳硅复合材料。硅碳复合层的设计使得硅元素含量从碳基体向外部逐渐降低，形成了一个硅含量的梯度变化，类似于一个渐变层，并且在该层外部可能覆盖有一层碳包覆层。碳基体可以选用碳纳米管、石墨烯、炭黑或多孔碳等材料，单独使用或组合使用，其中多孔碳因其类似海绵的结构和适宜的孔隙率被认为是较佳选择。多孔碳的平均粒径控制在2-8微米之间，以4-6微米为优，以确保硅在沉积过程中分布均匀，避免表面硅过多导致的不良反应和性能下降。若多孔碳粒径过小或过大，都会影响硅碳复合层的形成效率和锂离子的扩散路径，进而影响电池性能。

硅碳复合层中硅的存在形式包括无定形硅和硅晶粒，无定形硅因其结构稳定性和较小的体积膨胀而受到青睐，而硅晶粒的平均粒径需控制在8纳米以下，以3纳米以下为优，以避免因体积膨胀导致的电池性能下降。

硅碳复合层中硅（包括无定形硅和硅晶粒）的含量控制在20-40重量百分比（wt%）之间，以25-35wt%为优。碳包覆层的厚度控制在5-100纳米之间，以10-30纳米为佳，以确保硅晶粒被有效包覆，避免副反应和性能下降。硅碳复合材料的整体平均粒径控制在3-15微米之间，以5-10微米为优，以平衡比表面积和锂离子扩散距离，提高电池的能量密度和循环性能。

2. 制备工艺说明

该碳硅复合材料的制备工艺采用的是气相沉积技术。通过将硅源（如甲硅烷、乙硅烷、氯化硅等）和碳源（如乙炔、甲烷、乙烯等）引入到碳基体上，通过调整硅源和碳源的气体流量，实现硅碳复合层中硅元素的梯度分布。气体流量比值从8-17:1逐渐调整至1:8-17，通过控制流量变化来调节硅和碳在碳基体上的沉积。

气相沉积过程中，温度需控制在300-700℃之间，以400-600℃为佳，以避免硅晶粒的过度生长和结晶度提高，影响电池的循环性能。硅源和碳源的气体流量控制在1-90sccm之间，以5-85sccm为优，以保证沉积速度和反应效率。通气时间控制在250-500分钟之间，以300-400分钟为佳，以确保沉积颗粒的大小适宜。载气与硅源或碳源气体流量的比例控制在4-5.5:1之间，以4-5:1为佳，以保证沉积效率。

在气相沉积后，还可以进行气相碳包覆，通过引入额外的碳源在硅碳复合层外形成一层碳包覆层。包覆温度控制在600-1200℃之间，以800-1000℃为佳；时间控制在50-500分钟之间，以100-400分钟为合适，以确保碳源的充分裂解和硅晶粒的有效包覆。碳源的气体流量控制在5-60sccm之间，以10-50sccm为优，以避免包覆不完全或副反应过多。

内容来源：汽车材料网

责任编辑：龚淑娟

审　　核：李峥

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