硅基材料作为动力电池负极材料的研究已经有四十一年了,终于于今年的十二月五号,于江苏溧阳,由石墨邦(刘荣华老师)与天目湖先进储能技术研究院(李泓研究员)共同举办了第一届高能量密度锂离子电池硅基负极材料创新研究与发展研讨会。此次会议包含了硅负极学术及企业界的众多资历深厚的先辈,作为一名学生的我非常荣幸有此机会能够跟随夏老师参加这次会议,在此对夏老师表示真心的感谢。在会议交流的过程中,各位先辈们激情讲解并虚心求解与交流,让我不仅对硅负极材料知识方面有了更深的认知,而且还让我对科研态度有了进一步的觉悟,我认为这些收获将为我后续课题研究研究提供非常有效的指导,下面对会议内容做一个简要的总结。
本次会议对硅基负极材料做了非常详尽的阐述,涉及机理探究、材料设计以及工艺选择。分别如下:上半场中,首先是杨军教授讲述了在当今的新能源动力电池大背景下,不仅仅需要高的能量密度,同时也需要长循环寿命和高规模产量。碳包覆可有效提升循环性能,且原位包覆效果更佳,然而无法高规模生产,常用的CVD方法可大规模生产,但存在一问题,就是无法内部均匀包覆,因此需要进行动态CVD包覆。为此,提到硅基材料与石墨材料的喷雾造粒也许是非常具有潜力的一种方法,只是可能存在一个问题便是石墨喷雾造的微粒在浸润电解液后存在舒展张开的问题,因此需要进行更复杂的掺杂,如与铜、碳纳米管以及碳一同进行喷雾。同时杨军教授也讲述了相关粘结剂方面选择的研究,有羧甲基纤维素钠(CMC/SBR)、海藻酸钠(SA)和聚丙烯酸(PAA)等,并指出一种具有较好性能的新型粘结剂-天然卡拉亚树胶(KG)。然后是储晞讲述了工业化制备纳米氧化亚硅和硅,并且他们可由硅烷气体为前驱体大批量制备单晶硅。郭玉国研究员在前两位基础上,讲解了硅负极可实现快充的条件(无锂枝晶的析出)和机理(合金化)并提到了预锂化,预锂化虽然可以提升首效,但现在存在很多问题,在这他示意尽量不去碰预锂化。然后是Li Bin研究员讲解了硅基全电池的相关研究,包括硅基材料的种类(硅、硅氧化物)、粘结剂选择、固含量把控、混浆工艺以及电解液选择等众多因素在全电池装配均需注意。随后魏飞教授展示了相关硅氮合金(SiNx)及批量生产(流床法)以及作高性能负极的应用,让人好奇的是氮化硅高倍率性能的机理本质究竟是什么,为何氮的杂化对锂离子的传输有巨大的促进作用,在这暂时未讨论出结果。接下来由陈永胜教授讲授了他们在石墨烯与硅复合材料的研究,主要是3D石墨烯的合成,并讲述了如何通过简单XRD表征识别石墨烯的层数问题,层间距为0.34则为多层,大于0.6则为单层石墨烯。最后在上半场,由夏老师讲述了高容量石墨烯/硅基复合材料的研究进展。
后半场会议,首先是侯贤华教授作了纳米硅碳复合负极材料的报告,指出存在的众多问题:循环膨胀、吸液失效、低首效、差倍率性能、粘结剂和正极匹配问题以及众多问题相互冲突的本质,指出了几种合适的解决途径,如纳米线的制备、多孔硅碳复合微球和石墨烯包覆等。随后,陈浩森副教授对硅碳负极材料进行了力学/电化学耦合和仿真研究,展示了硅基负极材料中的力学问题突出,可直接导致与集流体断开粘结,为我们从物理力学角度展示了硅负极在充放电过程中微观体积和应力的变化,让我们对硅负极脱嵌锂机理有了更清晰的理解。接下来,是8家相关企业公司对他们各自在硅碳负极材料商业化生产及应用的相关报告,有上海杉杉科技(刘萍博士)、深圳市博亿化工机械(方舒)、石墨邦(北京)互动科技(陈月福)、深圳市比克动力电池(林建)、合肥国轩高科动力电池(杨茂萍)、张家港国泰华荣化工新材料(甘朝伦),天奈(镇江)材料科技有限公司(毛鸥)及江苏溧阳天目先导电池材料有限公司(刘柏男)等,主要针对硅基材料大规模量产及长循环方面的方案及工艺措施,大规模生产方面有磁频溅射法制备二维薄膜、砂磨制备纳米硅、CVD碳包覆以及喷雾造粒等,工艺改进方面有由传统混浆改为捏合调浆、粘结剂选择可根据自身活性材料作适当选择(有点状粘结剂SBR、线状粘结剂PAA和网状粘结剂PI等)、添加电解液添加剂(VC、FEC、LiFSI和LiODFB等)、导电剂选择(碳管、石墨烯和碳管石墨烯复合导电剂)和预锂化(在这都未细说)等。
总结:通过这一天的研讨报告和提问交流,可谓对硅基材料作了全方面详尽的描述,当然也有不少信息此次论坛中未做详细的描述(企业机密或涉及专利),但也更加激起了我们的思考。相关方面的研究者与工作人员充满激情,到场人数远超出席位,所以有大量人员是站着进行了一天的研讨会,我想这该是研究者们必备的精神。此外,通过听取会议报告以及在和各位前辈的交谈中,我认识到自己知识储备和认识水平的不足,对于同样的问题可能没有前辈们们理解的更深刻。同样也认识到想法的重要性,可能现在还是习惯于去执行老师布置的任务,但是通过这次和老师的会后交谈,认识到思考的重要性,不仅要做好的执行者,更重要的是要有自己的想法,虽然以自己现在的水平可能不会有很深刻的想法或见解,但是我相信只要愿意去思考去琢磨,自己的学习能力和认知水平都会不断的提高。