中國(guó)粉體網(wǎng)訊 硅材料的比容量（Li15Si4,3590mAh/g）是已商用化的石墨負(fù)極（LiC6,372mAh/g）的10倍，硅負(fù)極的商業(yè)化可有效提高單體電芯的容量，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。但硅負(fù)極在充放電過(guò)程時(shí)體積變化巨大和電導(dǎo)率低限制了其應(yīng)用。
由于硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)時(shí)存在400%的體積膨脹，容易導(dǎo)致電極材料粉化開(kāi)裂而從集流體上剝落，使得活性物質(zhì)與活性物質(zhì)、集流體之間失去電接觸，同時(shí)不斷形成新的固體電解質(zhì)相界面膜（SEI膜），最終導(dǎo)致電化學(xué)性能的惡化。
由體積效應(yīng)引發(fā)的負(fù)反應(yīng)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
（1）硅材料粉化，體積變化過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，會(huì)使硅顆粒相互擠壓、粉化，進(jìn)而失去電接觸導(dǎo)致容量迅速衰減。
（2）電極結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)于硅材料來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的粘結(jié)劑（如PVDF）無(wú)法承受其巨大的體積變化，使得活性材料從集流體上脫落，導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)被破壞，電池循環(huán)穩(wěn)定性很差。
（3）不穩(wěn)定的SEI膜，體積效應(yīng)還會(huì)使SEI膜不穩(wěn)定，體積效應(yīng)還會(huì)使得硅表面SEI膜在充放電過(guò)程性中不斷的破裂、再生長(zhǎng)，導(dǎo)致庫(kù)倫效率降低，電極的電子導(dǎo)電性變差，電池內(nèi)阻增加等。
充電和放電期間硅體積膨脹示意圖
針對(duì)上述問(wèn)題，目前的研究大致可分為以下三種途徑：
1硅負(fù)極材料的納米化
納米材料是一種新型材料，與傳統(tǒng)材料相比，納米材料最大的特點(diǎn)在于粒子的尺寸，它的體積在單體和聚合物之間，從而具有特殊的屬性，如小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)等。納米材料作為嵌鋰材料可以增加比表面積，使得鋰離子電池脫/嵌深度變小，移動(dòng)距離更短，大大改善了電極可逆嵌鋰容量小、循環(huán)能力差以及極化程度高等缺點(diǎn)，同時(shí)當(dāng)電池在高壓環(huán)境工作時(shí)體積也不會(huì)發(fā)生巨大改變，有望延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命。
2硅負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)改性
（1）硅納米線(xiàn)
作為鋰離子電池負(fù)極材料，與零維納米材料有所不同：①電子轉(zhuǎn)移時(shí)不需要克服因顆粒接觸產(chǎn)生的界面勢(shì)壘；②其結(jié)構(gòu)能有效緩沖材料的體積變化，增大與電解液的接觸面積，大大改善了鋰離子電池的庫(kù)侖效率和循環(huán)性能。
（2）硅納米薄膜
二維納米材料即硅薄膜。二維材料比表面積較大，有利于鋰離子電池的快速擴(kuò)散，由小顆粒組成的均勻薄膜在一定程度上增大了材料與集流體的接觸面積，并抑制游離硅粒子的運(yùn)動(dòng)，可以很好地保持電極材料的結(jié)構(gòu)完整性，延長(zhǎng)硅負(fù)極材料的循環(huán)壽命。
（3）多孔和中空結(jié)構(gòu)硅材料
多孔結(jié)構(gòu)能緩沖電極在充放電過(guò)程中的體積效應(yīng)，提高循環(huán)穩(wěn)定性。
3硅負(fù)極材料的復(fù)合化
制備成復(fù)合材料也是改善硅基材料性能的方法之一。將金屬、碳等具有較好機(jī)械性能和較強(qiáng)導(dǎo)電性的材料加入進(jìn)去，能吸收復(fù)合材料的內(nèi)部應(yīng)力，改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性，增強(qiáng)電極的倍率性能。
（1）硅/金屬?gòu)?fù)合材料
硅/金屬?gòu)?fù)合材料即M-Si體系，其中M包括無(wú)法與鋰反應(yīng)的惰性金屬，也包括能與鋰參與脫嵌反應(yīng)的金屬。
（2）硅/碳復(fù)合材料
硅與非金屬?gòu)?fù)合會(huì)形成一種核殼結(jié)構(gòu)，該材料可以減緩內(nèi)核硅顆粒的體積變化，可以有效解決循環(huán)過(guò)程中材料體積膨脹的問(wèn)題，改善循環(huán)性能。
Si/C核殼結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖
參考來(lái)源：
戴劍鋒.硅基鋰離子電池負(fù)極材料的容量衰減及改進(jìn)研究
潘雨默.鋰離子電池硅基負(fù)極材料的研究進(jìn)展
肖忠良.鋰離子電池硅基負(fù)極材料研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）
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