克服“膨胀”！硅碳“双向奔赴”！“小身板”电池蕴含大能量？

□ 科普时报记者 张英贤

近日，“张朝阳谈未来手机电池的发展”话题登上热搜。手机电池直接影响用户的使用体验。张朝阳提到，相比传统石墨电池，硅碳负极电池的能量密度可以做到数量级提升。什么是硅碳负极电池技术？硅碳负极电池搭载手机和汽车又有何优势？记者对此进行了采访。

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硅碳“双向奔赴”

外出旅行时，手机电量“焦虑”几乎影响着每一个人。目前，我们使用的手机电池多为锂离子电池。在我们肉眼看不到的地方，电池里的化学反应快速地进行着。

“锂离子电池有一个外号叫作‘摇椅电池’。它在充电的时候，锂离子从正极出来跑到负极；放电的时候，锂离子又从负极出来跑到正极。”哈尔滨工业大学材料学博士、副教授高鹏告诉科普时报记者，正负极的储锂能力非常重要，它决定了锂离子电池存储能量的多少。

作为锂离子电池的重要组成部分，高容量的负极材料可以有效提升电池能量密度。目前，市面上主流锂电池的负极都是采用石墨材料，但经过数十年发展，石墨材料的比容量已经十分接近理论极限。因此，继续改善石墨负极性能对锂离子电池性能提升十分有限。而人们发现，硅材料具有比石墨高得多的储锂能力。

张朝阳在讨论“从物理学看中国手机领创技术”话题时解释说，石墨是6个碳原子容纳一个锂离子，但是1个硅原子却能够容纳接近4个锂离子。硅材料的储锂能力是碳材料的10倍以上。因此，如果电池加了硅材料后，就可以做到能量密度的数量级提升。

那么，硅材料是放得越多越好吗？“在充放电过程中，硅的体积膨胀效应非常严重。锂离子嵌进来，硅的体积膨胀，脱出去体积又收缩，最高可膨胀300%。多次循环以后，硅材料就会破碎、粉化，导致性能下降。”高鹏坦言，电导率较低、电阻比较大，不利于传导电流，也是硅材料的问题之一。

科学家发现，碳材料能够弥补硅材料的缺点，于是便将硅和碳复合起来，制造出高导电性、低体积膨胀率的硅碳负极材料。

电池容量增加20%

作为一种新型的电池材料技术，硅碳负极材料技术应用到汽车动力电池之后，继而被手机厂商应用在手机电池上。

“目前的碳材料都是直径为几百纳米到几微米的小微球，但是对于硅来说，颗粒越小越好，因为硅颗粒越大越容易破碎，越小越不容易破碎。因此，为了防止硅颗粒破裂，人们尽量将其做到几十纳米的小尺寸，叫作纳米硅。”高鹏介绍。

硅碳复合有多种方式，目前主要流行两种技术，一种是将碳包覆在硅微球表面，另一种是把硅颗粒嵌入到多孔碳中或者在多孔碳中沉积硅。

高鹏介绍说，为防止体积膨胀，目前硅碳负极材料中硅的比例不会太高，储锂能力大致是目前碳负极的一倍，与高能正极相匹配，可为电池提升大约20%的整体能量密度。也就是说，对于手机或者电动汽车来讲，同样大小的电池可以多出来20%的电量，极大地提升了电池的续航能力。

最新研究成果表明，与石墨负极材料相比，硅碳负极材料在低温下具有更好的循环稳定性。因此，使用硅碳负极材料有助于改善电池的低温性能，也能改善手机和电动汽车在冬季常见的掉电问题。“硅碳负极技术还是一个正在发展中的技术。将来随着技术的进步，硅碳负极材料中硅的比例提升以后，还能为电池带来更高的性能提升。”高鹏介绍。