鋰電池用硅基負極材料好還是碳負極材料好？

鋰電池的容量決定于正極材料的活性鋰離子以及負極材料的可嵌脫鋰能力，正負極在各種環境下的穩定性決定電池的性能發揮，甚至嚴重影響電池的安全性，因此，電極的性能在一定程度上決定了鋰電池的綜合性能。

目前商業化鋰電池負極材料緊要為石墨類碳負極材料，其理論比容量僅為372mAh/g，嚴重限制了鋰電池的進一步發展。硅基材料是在研負極材料中理論比容量最高的研究體系，理論比容量高達為4200mAh/g，因其低嵌鋰電位、低原子質量、高能量密度，被認為是碳負極材料的替代性產品。然而，硅負極由于其在嵌脫鋰循環過程中具有嚴重的體積膨脹和收縮，造成材料結構的破壞和機械粉碎，從而導致電極表現出較差的循環性能。

對單質硅的改性，緊要通過摻入第二組元形成Si-M合金，降低硅合金的體積膨脹系數，或者通過各種工程技術使硅多孔化、納米化，為硅的體積膨脹預留空間，減少硅體積效應對材料循環穩定性的影響。

1、硅的合金化

影響硅負極材料商業化最大的障礙是硅在充放電過程中較大的體積效應導致的材料粉化失效。試驗聲明，引入第二組元形成體系能有效降低硅的體積膨脹系數，利用活性元素或者非活性元素本身的一些特性，如金屬延展性、成鍵特性等，緩解硅在嵌脫鋰過程中萌生的體積效應。

等將硅粉放在銅基體表面，在真空下加熱至2000℃，形成以Cu為基體，自下而上從富銅態逐漸過渡到富Si態的Si-Cu合金薄膜負極材料。半電池探測顯示，100周循環后，薄膜樣品的質量比容量為1250mAh/g，面積比容量為1956mAh/cm3。但是過量的Cu導致部分晶態的硅存在，使得樣品的循環穩定性相對較差。

采用機械球磨及退火解決相結合的辦法制備Si-Fe復合負極材料，利用Si-Fe合金良好的導電性和延展性來改善Si的循環性能。結果聲明，經過試驗解決后的物料部分達到了合金化，并且有不同形式的Si-Fe合金相形成，但合金化程度并不完全。Si-Fe合金的生成改善了Si作為鋰電池負極材料的循環性能，且合金化程度越高，合金材料電化學性能越好。

2、硅的多孔化

硅的多孔化一方面能新增硅主體材料與電解液接觸的比表面積，提高鋰離子往材料內部的輸運效率，加強材料的導電性，另一方面能為硅在充放電過程中可能存在的體積膨脹預留空間，減少硅體積效應對極片的影響。硅的多孔化目前已被廣泛認為是處理硅體積效應的有效手段。

3、硅的納米化

硅基負極材料研究人員普遍認為，當硅的尺度小到一定程度后，硅體積效應的影響就可以相對減小，且小顆粒的硅配以相應的分散技術，容易為硅顆粒預留足夠的膨脹空間，因此硅的納米化被認為是處理硅基負極材料商業化的緊要途徑。

碳包覆后的硅納米管陣列產品表現出良好的循環穩定性，100周循環后放電比容量仍達到3654mAh/g。

通過等離子體輔助放電的辦法，以納米硅及膨化石墨為原料，制備Si/石墨納米片，并用作鋰電池負極材料。結果聲明，合成的Si/C復合樣品具有較好的循環穩定性，嵌鋰比容量為1000mAh/g，直至350周循環沒有容量損失，庫侖效率在99%以上。

雖然對硅單體的改性能在一定程度上減小硅的體積膨脹系數，但由于體積效應依然存在，且硅本身的導電性不足以支撐鋰離子的快速輸運，因此在硅基負極材料獲得商業化之前，仍要進行大量的結構設計，以使其達到商業化使用要求。

核殼結構構造的目的在于通過外殼的基本特性為硅或硅合金的體積膨脹供應緩沖層，將硅或硅合金的體積效應控制在核殼結構內。

以納米Si作內核，NiSi2/Ni作殼層包覆納米Si，并外包覆碳層，制備具有核殼結構的硅基負極材料。試驗樣品具有1194mAh/g的可逆比容量，105周循環容量保持率為98%。該制備辦法具有工藝簡單且成本低廉的特點。

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