從商業(yè)化應(yīng)用角度，將硅材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，是未來提升電池性能的主要發(fā)展方向。

首效（電池首次放電量和充電量的比值）低、循環(huán)性能差、倍率性能差、體積膨脹等問題是阻礙硅材料商業(yè)化的關(guān)鍵因素。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

改善硅材料性能的三種方法：

（1）硅材料納米化

當(dāng)顆粒尺寸從微米級降至納米級時，尺寸效應(yīng)使顆粒的比表面積（根據(jù)百度百科：單位質(zhì)量物料所具有的總面積）和表面能（根據(jù)百度百科：表面粒子相對于內(nèi)部粒子所多出的能量）等發(fā)生變化。

1）硅材料納米化優(yōu)點(diǎn)：

研究發(fā)現(xiàn)，納米級硅顆粒，體積膨脹導(dǎo)致的粉化幾乎消失。當(dāng)硅顆粒直徑大于150nm時，硅顆粒在脫嵌鋰循環(huán)過程中更容易發(fā)生破裂甚至粉化，當(dāng)硅顆粒直徑小于150nm時，硅顆粒幾乎沒有任何破裂或粉化現(xiàn)象發(fā)生。

同時，硅顆粒尺寸處于納米級范圍時，SEI膜（固體電解質(zhì)界面膜，電子不能通過，鋰離子可以通過的膜）也更加穩(wěn)定。

2）硅材料納米化缺點(diǎn)

硅材料納米化使硅顆粒比表面積增加，不可逆容量增加，首效降低。

同時，硅材料納米化使電極的振實(shí)密度（根據(jù)百度百科：對干粉末顆粒群施加振動等外力后，達(dá)到極限的堆積密度）降低，活性物質(zhì)負(fù)載量降低（個人理解：因?yàn)檎駥?shí)密度降低，所以一定空間所能容納的硅材料的量降低）。

以上兩個缺點(diǎn)限制了硅材料納米化的實(shí)際應(yīng)用。

（2）納米結(jié)構(gòu)設(shè)計

納米結(jié)構(gòu)設(shè)計通過設(shè)計一些納米空間，釋放硅材料的體積變化（含個人理解）。納米結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效提高電極的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。下文以兩個研究實(shí)例說明納米結(jié)構(gòu)設(shè)計方法：

1）納米多孔硅

納米多孔硅采用腐蝕法、模板法、鎂熱還原法等制備，納米多孔硅中的納米孔結(jié)構(gòu)為體積膨脹提供了一定的緩沖作用，達(dá)到改善電化學(xué)性能的目的。這種方法具有產(chǎn)業(yè)化前景。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

2）硅納米線

研究人員在集流體（電極包裹的金屬箔）上生長了硅納米線陣列。在循環(huán)過程中，硅納米線會沿著徑向和縱向發(fā)生膨脹，有效避免硅材料的粉化。

同時，硅納米線生長在集流體上可以使電子沿一維納米線傳輸（如下圖紅箭頭方向）。

但硅納米線成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

（3）與碳材料復(fù)合

研究發(fā)現(xiàn)，在硅材料中添加適量的碳材料，不僅可以為鋰離子提供傳輸?shù)耐ǖ溃铱梢栽黾愉囯x子的嵌入電位。

同時，硅與碳復(fù)合可以緩解硅的體積效應(yīng)（鋰離子嵌入硅時導(dǎo)致硅體積膨脹），提高硅材料的電化學(xué)穩(wěn)定性。

硅與碳復(fù)合的研究較多，根據(jù)與硅復(fù)合的碳材料類型，大致可分類以下四類：

1）與石墨復(fù)合

研究人員采用高能球磨（根據(jù)百度百科：利用球磨的轉(zhuǎn)動或振動，將粉末粉碎為納米級微粒）的方法，將納米硅粉分散在石墨結(jié)構(gòu)中，不僅可以有效緩解硅材料在充放電過程的體積變化，而且石墨可以阻斷部分硅與電解液接觸。相比于純納米硅，硅/石墨復(fù)合材料具有更好的循環(huán)性能。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

2）與碳納米管或碳纖維復(fù)合

相比于石墨，碳納米管和碳纖維具有較好的導(dǎo)電性、較高的機(jī)械強(qiáng)度、較大的長徑比（類似長寬比），可以提高電極的導(dǎo)電性和機(jī)械彈性。

研究發(fā)現(xiàn)，將碳納米管或碳纖維與硅復(fù)合，可以為硅材料提供體積膨脹緩沖空間，降低體積變化帶來的不利影響。同時，碳納米管或碳纖維所構(gòu)筑的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以提高電極的導(dǎo)電性（含個人理解）。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

3）與石墨烯復(fù)合

石墨烯具有導(dǎo)電性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)。

通過在硅顆粒周圍包裹單層石墨烯，硅與石墨烯的復(fù)合材料可以利用石墨烯的韌性和機(jī)械強(qiáng)度緩沖充放電過程的體積膨脹。同時，石墨烯可以形成獨(dú)特的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，確保硅顆粒與集流體的良好電接觸。

美國AEC（Angstron Energy）公司曾報道，其開發(fā)了一種新型石墨烯/硅復(fù)合負(fù)極材料，比容量（克容量）是目前石墨負(fù)極的8倍（石墨負(fù)極的理論克容量是372mAh/g）。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

4）與碳?xì)饽z復(fù)合

碳?xì)饽z內(nèi)部存在納米孔洞，所形成連續(xù)均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以有效緩解硅材料的體積膨脹和提升電子導(dǎo)電性。

但硅與碳?xì)饽z的復(fù)合材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中，電池首效較低，這是因?yàn)樘細(xì)饽z的納米多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其表面積大，在首次充電過程中，表面會形成大量的SEI膜，造成鋰離子的過量損耗。

圖片來源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

審核編輯 ：李倩