硅基材料是超越石墨負(fù)極容量極限的最具潛力的鋰離子電池負(fù)極材料，因此，一直被科學(xué)家們視為下一代鋰離子電池架構(gòu)設(shè)計的最佳候選材料。但是，普通結(jié)構(gòu)的硅基材料，在鋰電池充放電的循環(huán)過程中會產(chǎn)生較大的體積變化，造成循環(huán)性能和結(jié)構(gòu)尺寸的不穩(wěn)定，而成為阻礙其發(fā)展和使用的巨大障礙。

有鑒于此，恒侖技術(shù)團(tuán)隊率先提出了以生物硅基原料生產(chǎn)生物硅及生物氧化亞硅的概念，并經(jīng)過多年的潛心研究、不斷優(yōu)化改進(jìn)，目前已經(jīng)成功量產(chǎn)鋰電池用生物氧化亞硅負(fù)極材料Bio-SiOx。

為了更好滿足鋰電池針對硅基負(fù)極材料應(yīng)用需求，主要從以下幾方面進(jìn)行了改進(jìn)和研究。

首先使用鎂作為還原劑從植物中提取生物硅，然后以生物硅為原料按照多孔氧化亞硅的生產(chǎn)工藝將生物硅加工成生物氧化亞硅，加工過程中通過加入特殊金屬材料和工藝控制，使形成的生物氧化亞硅為一種具有納米級孔徑的無定形介孔材料。這些納米微孔不僅存在于材料表面，而是從內(nèi)到外互相貫通，且孔徑小不會影響材料的機(jī)械強(qiáng)度，鋰離子通過這些納米微孔容易擴(kuò)散到材料內(nèi)部，而且這些納米微孔可以包納吸收材料嵌鋰過程中產(chǎn)生的體積膨脹，使材料具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（見圖1、2、3）。

Bio-SiOx SEM照片（圖1）

硅基負(fù)極材料一直面臨首次庫倫效率過低的困擾，首次庫倫效率可衡量鋰離子電池充放電能力的高低，關(guān)系著產(chǎn)品是否可以投入量產(chǎn)使用。Bio-SiOx負(fù)極材料在根本上解決了體積膨脹和SEI膜不穩(wěn)定的問題，所以，其性能不僅表現(xiàn)了足夠大的可逆容量（1499mAh/g），而且首周庫倫效率高達(dá)88.2%，已經(jīng)接近石墨材料（見圖4）。

此外，通過改變配方更是實現(xiàn)了循環(huán)100周后具有106%的容量保持率（見圖5）。

上述材料從根本上滿足了鋰電池對于硅基負(fù)極材料的基本需求，但是，在實際應(yīng)用過程中，考慮到硅的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)及其導(dǎo)電率等影響材料的倍率性能和全容量利用率的指標(biāo)，恒侖技術(shù)團(tuán)隊又對材料做了如下改進(jìn)處理。

通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計來進(jìn)一步抑制硅基材料的體積膨脹，增加材料導(dǎo)電性。在眾多符合條件的材料中，經(jīng)過反復(fù)篩選實驗，發(fā)現(xiàn)與碳材料復(fù)合后效果最好。復(fù)合后形成一個海綿硅外包覆一個導(dǎo)電碳?xì)さ慕Y(jié)構(gòu)，利用碳材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，提高材料的導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度，并使硅基材料與電解質(zhì)分離，減少SEI膜的破裂，提高材料首效。

由于硅基負(fù)極表面SEI膜的形成需要消耗大量鋰源，因此，通過對正極或負(fù)極實施預(yù)鋰化可以解決這一問題。負(fù)極預(yù)鋰化手段多種多樣，引入鋰箔、鋰粉、預(yù)鋰化添加劑或其他方法手段進(jìn)行預(yù)鋰化，均有一定積極作用。恒侖技術(shù)團(tuán)隊通過在NCM811正極中添加2%預(yù)鋰化添加劑，實現(xiàn)了約4%的首效提升。

今后無論在注重質(zhì)量能量密度還是體積能量密度的場合，硅碳負(fù)極對鋰電池能量密度的提升貢獻(xiàn)幾乎無可辯駁，所以硅碳負(fù)極在負(fù)極材料中的滲透率會越來越高，這是發(fā)展的需要，任何人都無法阻止。

另外，生物硅基負(fù)極材料在全電池測試中，在內(nèi)阻及高溫存儲、低溫充放電、循環(huán)性等方面均有很好表現(xiàn)。

目前全球針對硅基負(fù)極材料的專利數(shù)量已經(jīng)逾萬，基本都是以礦物硅基材料為主，大家還是在原有道路上艱難跋涉前行，面對廣闊市場空間，恒侖技術(shù)團(tuán)隊另辟蹊徑研發(fā)的生物氧化亞硅負(fù)極材料，克服了傳統(tǒng)礦物硅基負(fù)極材料的天然缺陷，開創(chuàng)了鋰電池硅基負(fù)極材料的3.0時代，在滿足實際生產(chǎn)需求同時也可以滿足電池企業(yè)對鋰電池能量密度提升預(yù)期，必將為鋰電池關(guān)鍵材料領(lǐng)域的中國制造爭得一席之地。（通訊員張學(xué)臣，作者單位系上海恒侖新能源科技有限公司）