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：

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

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：因為振實密度降低，所以一定空間所能容納的硅材料的量降低）。

以上兩個缺點限制了硅材料納米化的實際應(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、較高的機械強度、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)強度高、比表面積大等優(yōu)點。

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械強度緩沖充放電過程的體積膨脹。同時，石墨烯可以形成獨特的三維導(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，這是因為碳?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