隨著新能源技術的發展(zhan)，傳統鋰(li)離(li)子電池(chi)的石墨負(fu)極(ji)(ji)將(jiang)逐(zhu)漸無法滿(man)足要求，高(gao)能量(liang)密度(du)負(fu)極(ji)(ji)材料(liao)成為企(qi)業追逐(zhu)的新熱點。硅基負(fu)極(ji)(ji)材料(liao)由于豐富的儲量(liang)和超高(gao)的理論(lun)比容量(liang)正(zheng)逐(zhu)漸成為電池(chi)企(qi)業和鋰(li)電材料(liao)商改善負(fu)極(ji)(ji)的最優先選擇，是最具潛力的下一(yi)代鋰(li)離(li)子電池(chi)負(fu)極(ji)(ji)材料(liao)之一(yi)。

　　但(dan)是硅基(ji)負極材料存在很多問題：

　　(1)硅材料(liao)粉(fen)化，體積變化過程中產生的應力，會使硅顆粒相(xiang)互擠壓、粉(fen)化，進而失去電接觸(chu)導致容量(liang)迅速衰減。

　　(2)電(dian)(dian)極結構(gou)破壞，對于(yu)硅材(cai)料來(lai)說，傳統的粘結劑(如PVDF)無(wu)法承受其(qi)巨大的體積變化，使得活(huo)性材(cai)料從集流體上脫落，導(dao)致電(dian)(dian)極結構(gou)被破壞，電(dian)(dian)池循環穩定性很差(cha)。

　　(3)不穩(wen)定(ding)的(de)SEI膜，體(ti)積效(xiao)(xiao)應(ying)會使SEI膜不穩(wen)定(ding)，體(ti)積效(xiao)(xiao)應(ying)還(huan)會使得(de)硅表(biao)面(mian)SEI膜在充放(fang)電過(guo)程性中不斷(duan)的(de)破裂、再生長(chang)，導(dao)致庫倫效(xiao)(xiao)率降(jiang)低，電極的(de)電子導(dao)電性變差，電池(chi)內(nei)阻(zu)增(zeng)加等。

　　針對(dui)以(yi)(yi)上問題(ti)，研(yan)究者們提(ti)出了很(hen)多應(ying)對(dui)辦法，主(zhu)要集中在(zai)以(yi)(yi)下幾(ji)點。

材料納米化

　　Si基(ji)鋰(li)(li)離(li)(li)子電(dian)池負極材(cai)料(liao)納米化(hua)是目前(qian)改(gai)善Si基(ji)鋰(li)(li)離(li)(li)子電(dian)池負極材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)最有效方法。利用不同(tong)的(de)(de)(de)制備(bei)方法，可以(yi)獲得不同(tong)維度(du)、形貌各異的(de)(de)(de)納米Si材(cai)料(liao)，利用其(qi)特殊的(de)(de)(de)納米結(jie)構和形貌，可以(yi)減小嵌脫鋰(li)(li)過程的(de)(de)(de)體積(ji)膨脹(zhang)，緩沖內應力(li)，從而(er)改(gai)善負極材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)學循環穩定性能。同(tong)時，納米結(jie)構內部的(de)(de)(de)孔洞可以(yi)促進電(dian)解液的(de)(de)(de)滲透，縮(suo)短(duan)鋰(li)(li)離(li)(li)子的(de)(de)(de)擴散距離(li)(li)，也(ye)有利于(yu)提高Si基(ji)負極材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)嵌脫鋰(li)(li)動(dong)力(li)學性能。

　　雖然采用(yong)納米化的(de)方法，可以較(jiao)好(hao)地解決體積膨脹的(de)問題，提(ti)高電(dian)池的(de)長循環穩定性。但是隨著(zhu)硅顆粒尺(chi)寸不斷地減小，電(dian)極(ji)的(de)比表面積逐漸(jian)增加，這(zhe)會(hui)使得首(shou)次庫倫效率降低，不可逆容量增加;此(ci)外，尺(chi)寸納米化會(hui)使電(dian)極(ji)的(de)振實密度降低，活(huo)性物質(zhi)負載量降低，限制(zhi)其實際應用(yong)。

納米結構設計

　　研究發(fa)現，對(dui)硅材(cai)料微觀結構或者電極(ji)結構進行設計(ji)，人為地(di)“制造”一些(xie)空(kong)間用來(lai)釋放硅材(cai)料的體(ti)積變化(hua)(hua)，也可(ke)以(yi)有效地(di)提(ti)高電極(ji)的穩定性(xing)和電化(hua)(hua)學性(xing)能。

　　1硅納米線

　　作為鋰離子(zi)電(dian)池負極材料，硅納(na)(na)米線與(yu)納(na)(na)米顆粒材料不同：1)其電(dian)子(zi)的(de)傳輸不必(bi)克服一(yi)連(lian)串納(na)(na)米顆粒接觸(chu)的(de)界面勢壘;2)這種一(yi)維結(jie)構能有效地(di)緩沖(chong)體積效應。因(yin)此其具有重要的(de)潛在應用前景。

　　2硅納米棒

　　為(wei)了緩(huan)解硅(gui)基負極(ji)材(cai)料在重復充(chong)放(fang)電(dian)(dian)的(de)體積膨脹，硅(gui)納米(mi)棒(bang)結構(gou)逐漸進(jin)人人們的(de)視野(ye)中。1)硅(gui)納米(mi)棒(bang)具(ju)有較高(gao)的(de)高(gao)徑(jing)比和(he)較大的(de)比表面積，不僅為(wei)材(cai)料本身提(ti)供了自由(you)空(kong)間，而且(qie)有助(zhu)于(yu)其(qi)承受充(chong)放(fang)電(dian)(dian)過程(cheng)中的(de)物理應力;2)硅(gui)納米(mi)棒(bang)結構(gou)能(neng)(neng)有效增大與(yu)電(dian)(dian)解液的(de)接觸反應面積。因此(ci)大大改善了鋰離子電(dian)(dian)池(chi)的(de)庫侖效率和(he)循環性(xing)能(neng)(neng)。

　　3硅納米管

　　近年(nian)來，基(ji)于(yu)對(dui)基(ji)礎力(li)學(xue)模型(xing)的(de)(de)定量分析(xi)，Song等提(ti)出了一種具有優化的(de)(de)納(na)(na)米(mi)結(jie)構(gou)的(de)(de)電極(ji)構(gou)型(xing)，以封閉的(de)(de)納(na)(na)米(mi)管(guan)結(jie)構(gou)為典(dian)型(xing)，期望在鋰(li)化過程中，通(tong)過更有利的(de)(de)應力(li)作用(yong)，能(neng)夠提(ti)高其電化學(xue)性能(neng)和(he)可逆的(de)(de)形態變化。同(tong)時，硅納(na)(na)米(mi)管(guan)與電解液接(jie)觸的(de)(de)比(bi)表面積較大，有利于(yu)鋰(li)離子(zi)的(de)(de)嵌(qian)人和(he)脫出。基(ji)于(yu)硅納(na)(na)米(mi)管(guan)結(jie)構(gou)及性能(neng)上(shang)的(de)(de)特殊性，其在鋰(li)離子(zi)電池負極(ji)材料中有較大的(de)(de)應用(yong)前(qian)(qian)景，已成(cheng)為目前(qian)(qian)的(de)(de)研究熱點。

　　4中空硅

　　盡(jin)管眾多學者們制備了多種納米(mi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)硅負(fu)(fu)極，但負(fu)(fu)極材料(liao)的(de)(de)團聚和脫落問題仍然存在(zai)。與此同時，許(xu)多學者發現，相比于實(shi)(shi)心固體(ti)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，中空結(jie)(jie)構(gou)(gou)提供了用于體(ti)積膨(peng)脹的(de)(de)內(nei)部(bu)空間(jian)，可有效地緩沖因體(ti)積改變所導致的(de)(de)多種問題。此外，經(jing)理論計算顯示(shi)，相比于實(shi)(shi)心結(jie)(jie)構(gou)(gou)，中空結(jie)(jie)構(gou)(gou)和核殼中空結(jie)(jie)構(gou)(gou)在(zai)充放電過(guo)程中承受(shou)更(geng)小(xiao)的(de)(de)應力(li)。因此，作(zuo)為鋰離子電池負(fu)(fu)極材料(liao)，中空結(jie)(jie)構(gou)(gou)納米(mi)硅負(fu)(fu)極具(ju)有很大(da)的(de)(de)發展前景。

　　5硅薄膜

　　硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)(mo)作(zuo)為鋰離子電池負極(ji)(ji)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)具有(you)以下(xia)優勢：薄(bo)膜(mo)(mo)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)可以很好地緩解負極(ji)(ji)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)充放電過(guo)程(cheng)中縱向的(de)(de)應力變化，從而(er)保持電極(ji)(ji)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)結構完整(zheng)性;超細顆粒組成的(de)(de)連續的(de)(de)薄(bo)膜(mo)(mo)可以增大材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)與集流體的(de)(de)接觸面積，同(tong)時還可以很好地抑制游(you)離硅(gui)(gui)粒子的(de)(de)運(yun)動。

與碳材料復合

　　由于(yu)碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)具有(you)一定(ding)的(de)柔韌性和電(dian)子導電(dian)性，因此(ci)(ci)常(chang)用(yong)來(lai)與(yu)硅(gui)材(cai)料(liao)(liao)進行(xing)復(fu)合來(lai)優化其性能，研究發現(xian)添加適量的(de)碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)不(bu)僅可(ke)以(yi)為(wei)鋰(li)離子提(ti)供(gong)傳輸的(de)通(tong)道，而且可(ke)以(yi)增加鋰(li)離子的(de)嵌入(ru)點(dian)位(wei)。此(ci)(ci)外，硅(gui)的(de)嵌鋰(li)電(dian)位(wei)與(yu)碳(tan)類(lei)材(cai)料(liao)(liao)相近(jin)，通(tong)過與(yu)硅(gui)碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)進行(xing)復(fu)合，可(ke)以(yi)很好地(di)緩解硅(gui)的(de)體積效應，提(ti)高硅(gui)材(cai)料(liao)(liao)的(de)電(dian)化學穩(wen)定(ding)性。

　　1石墨

　　在硅(gui)負極中添加(jia)少量石(shi)墨(mo)可以(yi)有效地改善電極的(de)(de)電化學性能(neng)。研究(jiu)發現在石(shi)墨(mo)片及插入片層結(jie)構之(zhi)間(jian)的(de)(de)硅(gui)顆(ke)粒組(zu)成的(de)(de)復合結(jie)構中，石(shi)墨(mo)不(bu)僅可以(yi)作為(wei)穩(wen)定(ding)SEI層的(de)(de)有效基底，還可以(yi)防止硅(gui)顆(ke)粒的(de)(de)團聚，促進陽極的(de)(de)電子輸運。

　　2碳納米管/碳纖維

　　研究(jiu)發現(xian)，將碳納米管和(或)碳納米纖維與硅(gui)進行復合時(shi)(shi)，可以為硅(gui)材料提供(gong)一(yi)個體積膨脹緩沖(chong)空間，進而降低體積變化所帶來的不利影(ying)響;同時(shi)(shi)構筑形成的三維導(dao)電(dian)網(wang)絡還(huan)可以提高整個電(dian)極(ji)電(dian)子導(dao)電(dian)性(xing)。

　　3石墨烯

　　近(jin)些(xie)年來石墨(mo)烯以其優異的導電性(xing)(xing)、比表面積(ji)大(da)(理論值為2630m2/g)、力學性(xing)(xing)能(比金剛石強40倍(bei))受(shou)到人們的廣泛(fan)關(guan)注，也有很多人將(jiang)其用(yong)于(yu)硅負(fu)極材料中以提高(gao)電池性(xing)(xing)能。相(xiang)比于(yu)純硅納米(mi)顆粒，以硅-石墨(mo)烯復合材料構(gou)筑的電極具有更好(hao)的循環(huan)穩定性(xing)(xing)和庫(ku)侖效率(lv)。

　　4碳凝膠

　　通過溶膠(jiao)-凝膠(jiao)法制備得到碳凝膠(jiao)，其內部存在(zai)大量(liang)的(de)納米(mi)孔洞，形成了(le)連續均一的(de)導電網絡結構，也可以有效地緩沖硅(gui)材(cai)料的(de)體積(ji)膨(peng)脹和提升電子導電性。

合金化

　　硅可以和很多(duo)金(jin)(jin)屬元素形成(cheng)金(jin)(jin)屬硅化物，這些化合物作(zuo)為鋰(li)離子電池(chi)負(fu)極材料(liao)時，儲鋰(li)容量普遍低于(yu)單質Si，但體積變化更小，有(you)利(li)(li)于(yu)材料(liao)在(zai)脫嵌鋰(li)過(guo)程(cheng)中保持結構穩定(ding)，從而獲(huo)得優于(yu)單質Si的(de)(de)循環穩定(ding)性能。另外(wai)，Si合金(jin)(jin)往(wang)往(wang)具有(you)更高的(de)(de)電導率(lv)，有(you)利(li)(li)于(yu)改善(shan)Si基負(fu)極材料(liao)的(de)(de)電化學性能。硅與金(jin)(jin)屬復合形成(cheng)的(de)(de)金(jin)(jin)屬硅化物存(cun)在(zai)兩(liang)種情況：

　　一是金(jin)(jin)(jin)屬元素在整個充放電(dian)過程中不具(ju)備(bei)脫嵌鋰活性(xing)，僅起支撐結構、緩解體積膨脹和提高材(cai)料電(dian)導(dao)率的(de)作用，此類金(jin)(jin)(jin)屬稱(cheng)之(zhi)為(wei)惰性(xing)金(jin)(jin)(jin)屬;

　　二是金(jin)(jin)屬(shu)(shu)本身(shen)具有脫嵌鋰活(huo)性(xing)(xing)(xing)，但是與硅充放電電位(wei)不同(tong)，因此它們的(de)復合使(shi)得材料(liao)的(de)體積膨脹在不同(tong)電位(wei)下進(jin)行，緩(huan)解由此產生的(de)機械內應力，從而提高整個材料(liao)的(de)循環穩定性(xing)(xing)(xing)，此類金(jin)(jin)屬(shu)(shu)稱(cheng)之(zhi)為活(huo)性(xing)(xing)(xing)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)。另外(wai)，還(huan)有一些多元金(jin)(jin)屬(shu)(shu)-Si合金(jin)(jin)負極(ji)材料(liao)，其中(zhong)部(bu)分(fen)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)可以(yi)分(fen)別與S形成合金(jin)(jin)，部(bu)分(fen)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)元素之(zhi)間(jian)也(ye)可以(yi)形成合金(jin)(jin)，作為緩(huan)沖(chong)基(ji)底(di)。

　　參考來源：

　　程浩瀚.鋰離(li)子電(dian)池硅基負極材料(liao)的納米(mi)化(hua)和合金化(hua)探索

　　潘雨默.鋰離子(zi)電池硅基負極材(cai)料的研究進展

　　王月明.硅基(ji)材料的納米結構設(she)計和復(fu)合化及其(qi)在鋰(li)離子電池負極材料中的應(ying)用

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