從商業(yè)化應用角度，將硅材料應用于鋰離子電池負極材料，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)化的關鍵因素。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

改善硅材料性能的三種方法：

（1）硅材料納米化

當顆粒尺寸從微米級降至納米級時，尺寸效應使顆粒的比表面積（根據(jù)百度百科：單位質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，體積膨脹導致的粉化幾乎消失。當硅顆粒直徑大于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，達到極限的堆積密度）降低，活性物質負載量降低（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用。

（2）納米結構設計

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

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構為體積膨脹提供了一定的緩沖作用，達到改善電化學性能的目的。這種方法具有產(chǎn)業(yè)化前景。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

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)應用。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

（3）與碳材料復合

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?，而且可以增加鋰離子的嵌入電位。

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

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

1）與石墨復合

研究人員采用高能球磨（根據(jù)百度百科：利用球磨的轉動或振動，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構中，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/石墨復合材料具有更好的循環(huán)性能。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

2）與碳納米管或碳纖維復合

相比于石墨，碳納米管和碳纖維具有較好的導電性、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筑的三維導電網(wǎng)絡，可以提高電極的導電性（含個人理解）。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

3）與石墨烯復合

石墨烯具有導電性好、結構強度高、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電網(wǎng)絡，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/硅復合負極材料，比容量（克容量）是目前石墨負極的8倍（石墨負極的理論克容量是372mAh/g）。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

4）與碳氣凝膠復合

碳氣凝膠內部存在納米孔洞，所形成連續(xù)均勻的導電網(wǎng)絡結構，可以有效緩解硅材料的體積膨脹和提升電子導電性。

但硅與碳氣凝膠的復合材料應用于鋰離子電池負極材料中，電池首效較低，這是因為碳氣凝膠的納米多孔結構導致其表面積大，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：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

審核編輯 ：李倩