鋰離子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離子電池的綜合性能。

目前商(shang)業(ye)化鋰離子電(dian)池(chi)負極材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)主要為(wei)石墨類碳負極材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，其理論比(bi)容(rong)量(liang)僅為(wei)372mAh/g，嚴(yan)重限(xian)制(zhi)了鋰離子電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)進一步發展。硅(gui)基材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)是在(zai)研(yan)負極材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)中理論比(bi)容(rong)量(liang)最高(gao)的(de)(de)(de)研(yan)究體系，理論比(bi)容(rong)量(liang)高(gao)達為(wei)4200mAh/g，因其低(di)嵌鋰電(dian)位(wei)、低(di)原子質量(liang)、高(gao)能量(liang)密度(du)，被認為(wei)是碳負極材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)替代性(xing)產品。然而，硅(gui)負極由于其在(zai)嵌脫鋰循環(huan)過程中具有(you)嚴(yan)重的(de)(de)(de)體積(ji)膨脹和(he)收縮，造成材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)結構的(de)(de)(de)破(po)壞(huai)和(he)機械粉碎，從而導致電(dian)極表現出(chu)較差的(de)(de)(de)循環(huan)性(xing)能。

對單質(zhi)硅(gui)的(de)改性，主要通過摻入第二組元形成Si-M合(he)金，降低硅(gui)合(he)金的(de)體(ti)積(ji)膨(peng)脹系(xi)數，或者(zhe)通過各種工程技術使硅(gui)多孔化、納米化，為硅(gui)的(de)體(ti)積(ji)膨(peng)脹預(yu)留空間，減少硅(gui)體(ti)積(ji)效應對材料循(xun)環穩定性的(de)影響(xiang)。

1、硅的合金化

影響硅(gui)(gui)負極材料(liao)(liao)商業化最大的(de)(de)障礙是硅(gui)(gui)在充(chong)放電過程(cheng)中(zhong)較大的(de)(de)體(ti)積(ji)效(xiao)(xiao)應(ying)導致(zhi)的(de)(de)材料(liao)(liao)粉化失效(xiao)(xiao)。實驗(yan)表明，引入第二組元形(xing)成體(ti)系(xi)能有效(xiao)(xiao)降低硅(gui)(gui)的(de)(de)體(ti)積(ji)膨脹系(xi)數，利(li)用活性(xing)元素或者非活性(xing)元素本身(shen)的(de)(de)一些特(te)性(xing)，如金屬(shu)延展性(xing)、成鍵特(te)性(xing)等，緩(huan)解(jie)硅(gui)(gui)在嵌脫鋰過程(cheng)中(zhong)產生的(de)(de)體(ti)積(ji)效(xiao)(xiao)應(ying)。

等將硅粉(fen)放在銅基(ji)體表面(mian)，在真空下加熱至2000℃，形(xing)成以(yi)Cu為(wei)基(ji)體，自下而上從富(fu)銅態逐漸過(guo)渡到富(fu)Si態的(de)Si-Cu合金薄膜(mo)負極材(cai)料。半(ban)電池測(ce)試(shi)顯示，100周(zhou)循(xun)環后，薄膜(mo)樣品的(de)質(zhi)量比(bi)容(rong)量為(wei)1250mAh/g，面(mian)積比(bi)容(rong)量為(wei)1956mAh/cm3。但是過(guo)量的(de)Cu導(dao)致部分(fen)晶態的(de)硅存在，使得(de)樣品的(de)循(xun)環穩定(ding)性(xing)相對較(jiao)差。

采用機(ji)械球磨(mo)及退火處(chu)理相(xiang)(xiang)結合(he)的方法制備(bei)Si-Fe復(fu)合(he)負極(ji)材料(liao)，利用Si-Fe合(he)金(jin)(jin)(jin)良好(hao)的導電性(xing)(xing)和延(yan)展性(xing)(xing)來(lai)改(gai)善Si的循環(huan)性(xing)(xing)能(neng)(neng)。結果(guo)表明，經過實驗(yan)處(chu)理后的物料(liao)部分達到了合(he)金(jin)(jin)(jin)化，并且(qie)有不(bu)(bu)同形式的Si-Fe合(he)金(jin)(jin)(jin)相(xiang)(xiang)形成(cheng)，但合(he)金(jin)(jin)(jin)化程度并不(bu)(bu)完全。Si-Fe合(he)金(jin)(jin)(jin)的生成(cheng)改(gai)善了Si作(zuo)為鋰離子電池(chi)負極(ji)材料(liao)的循環(huan)性(xing)(xing)能(neng)(neng)，且(qie)合(he)金(jin)(jin)(jin)化程度越高，合(he)金(jin)(jin)(jin)材料(liao)電化學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)越好(hao)。

2、硅的多孔化(hua)

硅(gui)(gui)(gui)的(de)(de)多(duo)孔化一(yi)方(fang)面能(neng)增(zeng)(zeng)加硅(gui)(gui)(gui)主體(ti)材(cai)(cai)料與電解(jie)液(ye)接觸的(de)(de)比表面積，提(ti)高鋰離(li)子往(wang)材(cai)(cai)料內部(bu)的(de)(de)輸(shu)運(yun)效率，增(zeng)(zeng)強材(cai)(cai)料的(de)(de)導電性，另一(yi)方(fang)面能(neng)為硅(gui)(gui)(gui)在充放電過程(cheng)中可能(neng)存在的(de)(de)體(ti)積膨脹(zhang)預(yu)留空間，減少硅(gui)(gui)(gui)體(ti)積效應(ying)對極片的(de)(de)影(ying)響。硅(gui)(gui)(gui)的(de)(de)多(duo)孔化目前已被廣(guang)泛認為是解(jie)決硅(gui)(gui)(gui)體(ti)積效應(ying)的(de)(de)有效手(shou)段。

3、硅的納米化

硅(gui)基負極材料(liao)(liao)研究人(ren)員普遍認為，當硅(gui)的尺度(du)小(xiao)到一定(ding)程度(du)后，硅(gui)體積效應的影響(xiang)就可以相對減小(xiao)，且小(xiao)顆粒(li)的硅(gui)配以相應的分散技術，容易為硅(gui)顆粒(li)預留(liu)足(zu)夠(gou)的膨脹空間，因(yin)此(ci)硅(gui)的納米化被認為是解決硅(gui)基負極材料(liao)(liao)商業化的重(zhong)要途(tu)徑。

碳(tan)包(bao)覆后(hou)的硅納米管陣列產品表現出良好的循(xun)環(huan)穩(wen)定性(xing)，100周(zhou)循(xun)環(huan)后(hou)放電比(bi)容(rong)量仍達到3654mAh/g。
通過等離(li)(li)子(zi)體輔助放電(dian)的(de)方(fang)法，以(yi)納米(mi)(mi)硅及膨化石(shi)墨為(wei)原料，制備Si/石(shi)墨納米(mi)(mi)片，并用作鋰(li)離(li)(li)子(zi)電(dian)池負極材料。結果表明，合(he)成的(de)Si/C復合(he)樣品(pin)具有較好的(de)循環穩定性，嵌鋰(li)比容(rong)量為(wei)1000mAh/g，直至(zhi)350周循環沒有容(rong)量損失(shi)，庫侖效率在99%以(yi)上。

雖然(ran)對(dui)硅(gui)(gui)(gui)(gui)單體的改(gai)性(xing)能在一定程度(du)上減小硅(gui)(gui)(gui)(gui)的體積膨脹(zhang)系數，但由(you)于(yu)體積效應仍然(ran)存在，且硅(gui)(gui)(gui)(gui)本身的導電性(xing)不足以支(zhi)撐(cheng)鋰離子(zi)的快速輸運，因此在硅(gui)(gui)(gui)(gui)基負極(ji)材料獲得商業化之前，仍需要(yao)進行大量(liang)的結構設(she)計，以使其達到商業化應用要(yao)求。

核(he)殼(ke)結構構造的目的在(zai)于(yu)通過外(wai)殼(ke)的基本(ben)特性為(wei)硅或(huo)硅合金(jin)的體(ti)積膨(peng)脹(zhang)提供緩(huan)沖(chong)層，將(jiang)硅或(huo)硅合金(jin)的體(ti)積效應控制在(zai)核(he)殼(ke)結構內。

以(yi)納(na)米Si作內核，NiSi2/Ni作殼層(ceng)包覆納(na)米Si，并外(wai)包覆碳層(ceng)，制備具有核殼結構的(de)(de)硅基負極(ji)材(cai)料(liao)。實驗樣品具有1194mAh/g的(de)(de)可逆比容(rong)量(liang)，105周循環容(rong)量(liang)保持率為98%。該制備方法(fa)具有工藝簡單(dan)且成本低廉(lian)的(de)(de)特點。