由于市場電子設備對長時間續航工作的硬性要求，提高鋰電池高容量是鋰電池行業一直注重的核心問題。那么提高鋰電池單位能量密度來提升電池的容量就是一個比較有效的電池技術方案。

目前負(fu)極材(cai)(cai)料(liao)開(kai)發(fa)方向主(zhu)要是提高(gao)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)容(rong)(rong)(rong)(rong)量發(fa)揮，例如(ru)現在技術比較成熟的(de)(de)Si基材(cai)(cai)料(liao)，處于研發(fa)階段的(de)(de)氮摻(chan)雜(za)石(shi)墨類材(cai)(cai)料(liao)和以及金屬硫(liu)化(hua)物等材(cai)(cai)料(liao)容(rong)(rong)(rong)(rong)量發(fa)揮都可達(da)到(dao)1000mAh/g以上，遠(yuan)高(gao)于石(shi)墨類材(cai)(cai)料(liao)。值得注意的(de)(de)是近年來，金屬鋰（比容(rong)(rong)(rong)(rong)量達(da)到(dao)3860mAh/g）負(fu)極材(cai)(cai)料(liao)由(you)于安(an)全(quan)性問(wen)題和循環壽命問(wen)題逐(zhu)步(bu)得到(dao)解(jie)決，也(ye)開(kai)始逐(zhu)漸(jian)引起人(ren)們的(de)(de)注意。在目前眾多的(de)(de)高(gao)容(rong)(rong)(rong)(rong)量負(fu)極材(cai)(cai)料(liao)中，Si基負(fu)極材(cai)(cai)料(liao)憑借著豐富的(de)(de)資源儲量，低廉的(de)(de)價格獲得了廣泛的(de)(de)關注和研究，是目前生產和應用技術最為成熟，商業化(hua)程度(du)最高(gao)的(de)(de)高(gao)容(rong)(rong)(rong)(rong)量負(fu)極材(cai)(cai)料(liao)，也(ye)是下一代高(gao)比能鋰離子(zi)電池負(fu)極材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)強有力競爭者。

以再利(li)用(yong)硅(gui)為原材料(liao)，比如太陽能電(dian)池板中(zhong)的(de)硅(gui)，并將其加工成含硅(gui)納米顆(ke)粒(li)的(de)碳基(ji)體。在每個(ge)顆(ke)粒(li)中(zhong)，受化(hua)學物質(zhi)影響，碳化(hua)硅(gui)纖維開始生長，在表面形成類似絨(rong)毛的(de)東西，并與其他(ta)顆(ke)粒(li)上的(de)絨(rong)毛相連接(jie)，提供機械(xie)保護。

目(mu)前，在(zai)鋰離子電池(chi)(chi)中，硅(gui)(gui)被認為是最(zui)有望(wang)替代石(shi)墨的負極材料。如(ru)果將(jiang)石(shi)墨負極換(huan)成硅(gui)(gui)負極，電池(chi)(chi)容量(liang)可以提(ti)高大(da)約10倍。但是，在(zai)充(chong)電過程中，硅(gui)(gui)會膨脹，破壞電池(chi)(chi)內部結(jie)構。很多(duo)公司希望(wang)，通過調整硅(gui)(gui)片(pian)或(huo)硅(gui)(gui)顆粒的微結(jie)構，來解決(jue)這一問題。

這(zhe)種粉(fen)末可應用于不同濃度(du)(du)的石(shi)墨負極。濃度(du)(du)越高(gao)，存儲容量(liang)越大。加入不同數量(liang)的硅納米顆粒(li)。例如(ru)，如(ru)果你想在不用冷卻的情況下，讓電池持續(xu)充電1000次，負極中(zhong)的硅含量(liang)可以提高(gao)至15%。有時，只(zhi)需(xu)250個循環周期，就(jiu)可以加70%以上的硅。

硅(gui)是(shi)目(mu)前(qian)人(ren)類至(zhi)今為止(zhi)發現(xian)(xian)的(de)比(bi)容量(4200mAh/g)最(zui)(zui)高(gao)(gao)的(de)鋰離子電(dian)(dian)池負(fu)極材(cai)料(liao)(liao)(liao),是(shi)一(yi)(yi)種最(zui)(zui)有潛力(li)的(de)負(fu)極材(cai)料(liao)(liao)(liao)，但硅(gui)作為鋰電(dian)(dian)池負(fu)極應用也有一(yi)(yi)些瓶頸(jing)，第(di)一(yi)(yi)個(ge)問題(ti)是(shi)硅(gui)在(zai)反應中會出現(xian)(xian)體(ti)積(ji)(ji)膨脹的(de)問題(ti)。通(tong)過(guo)理論計算和(he)實驗(yan)可以(yi)證明嵌(qian)鋰和(he)脫鋰都會引起體(ti)積(ji)(ji)變化，這個(ge)體(ti)積(ji)(ji)變化是(shi)320%。所以(yi)不論做成什么樣的(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)，微觀(guan)上，在(zai)硅(gui)的(de)原子尺度(du)或者納米尺度(du)，它的(de)膨脹是(shi)300%。在(zai)材(cai)料(liao)(liao)(liao)設(she)計時必(bi)需(xu)要考慮(lv)大的(de)體(ti)積(ji)(ji)變化問題(ti)。高(gao)(gao)體(ti)積(ji)(ji)容量的(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)局部會產生力(li)學(xue)上的(de)問題(ti)，通(tong)過(guo)一(yi)(yi)系(xi)列的(de)基礎(chu)研究證明，它會裂開(kai)，形成嚴重的(de)脫落。

硅(gui)體積膨脹會導致一系(xi)列結果

1.顆粒粉化(hua)，循(xun)環性能差(cha)

為什么說硅碳材料(liao)是最有潛力的鋰電(dian)池負極

2.活性物(wu)質(zhi)與導電劑(ji)粘結劑(ji)接(jie)觸差

為什么說硅(gui)碳材料是最有潛力的鋰電池負(fu)極

3.硅(gui)表面的是比較厚(hou)且不(bu)均勻(yun)的，受溫度和添加劑(ji)的影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)，會(hui)影(ying)響(xiang)鋰離子電池中整個比能量的發揮。

從(cong)長(chang)期的基礎(chu)研(yan)究(jiu)來(lai)看，①通過(guo)硅(gui)(gui)粉(fen)納米(mi)(mi)化(hua)；②硅(gui)(gui)碳(tan)包覆(fu)；等技(ji)術手(shou)段可(ke)以有效解決硅(gui)(gui)在鋰電池負極應用(yong)中遇到(dao)的問題。無論是納米(mi)(mi)硅(gui)(gui)碳(tan)還(huan)是氧(yang)化(hua)亞硅(gui)(gui)碳(tan)，硅(gui)(gui)力求做到(dao)以下幾點：

硅粒徑：＜20nm（理(li)論(lun)上越(yue)小越(yue)好）

均(jun)勻度：標準偏差小于5nm

純度：＞99.95%

形貌(mao)：100%球形率

另外，完(wan)整(zheng)的(de)(de)表面包覆非常重要(yao)，防止(zhi)硅和(he)電解液接觸(chu)，產生厚的(de)(de)SEI膜的(de)(de)消耗。微觀(guan)結(jie)構的(de)(de)設計也很重要(yao)，要(yao)來維持在循環(huan)過(guo)程中電子的(de)(de)接觸(chu)，離子的(de)(de)通道，體(ti)積的(de)(de)膨脹。

碳包覆機理在(zai)于(yu)：Si的體積(ji)膨脹由石墨和(he)無定(ding)形包覆層共同承擔，避免(mian)負(fu)極材料在(zai)嵌(qian)脫(tuo)鋰過(guo)程因巨(ju)大(da)的體積(ji)變化和(he)應力而粉化。碳包覆的作用是：

（1）約束(shu)和緩(huan)沖(chong)活性(xing)中心(xin)的(de)體(ti)積膨脹

（2）阻止納米活(huo)性粒子的團聚

（3）阻止電解液向中心滲透，保持(chi)穩定的界面和SEI

（4）硅材料貢獻高(gao)比(bi)容量，碳材料貢獻高(gao)導(dao)電性

硅(gui)基負(fu)極(ji)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)主要(yao)分(fen)為(wei)兩大類：1）晶體(ti)硅(gui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)；2）氧(yang)化(hua)亞(ya)硅(gui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)。晶體(ti)硅(gui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)最大的(de)(de)(de)優勢是容(rong)(rong)量高(gao)，在完全嵌鋰(li)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)下晶體(ti)硅(gui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)比容(rong)(rong)量可達(da)(da)4200mAh/g（Li4.4Si），達(da)(da)到石墨材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)10倍以上，甚至要(yao)比金(jin)屬鋰(li)負(fu)極(ji)的(de)(de)(de)容(rong)(rong)量（3860mAh/g）還要(yao)高(gao)，但是硅(gui)負(fu)極(ji)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)也存(cun)在嚴(yan)重的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)膨脹(zhang)(zhang)問題(ti)，在完全嵌鋰(li)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)下，Si負(fu)極(ji)的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)膨脹(zhang)(zhang)可達(da)(da)300%，這不僅(jin)僅(jin)會(hui)導(dao)致(zhi)Si負(fu)極(ji)的(de)(de)(de)顆粒(li)破碎，還會(hui)破壞電(dian)極(ji)的(de)(de)(de)導(dao)電(dian)網(wang)絡和粘接劑網(wang)絡，導(dao)致(zhi)活性物質損失，從而嚴(yan)重影響硅(gui)負(fu)極(ji)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)循(xun)環(huan)性能(neng)，這也成為(wei)了(le)阻(zu)礙Si負(fu)極(ji)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)應(ying)用最主要(yao)的(de)(de)(de)障礙。解決(jue)Si材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)體(ti)積(ji)膨脹(zhang)(zhang)大的(de)(de)(de)問題(ti)的(de)(de)(de)思路主要(yao)有三個：1）納(na)米(mi)化(hua)，通過制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)納(na)米(mi)硅(gui)顆粒(li)、納(na)米(mi)硅(gui)薄膜等手(shou)段，抑制(zhi)(zhi)(zhi)Si在充放(fang)(fang)電(dian)過程中的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)；2）制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)特殊形(xing)狀(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)Si晶體(ti)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，例如蜂窩狀(zhuang)(zhuang)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，樹枝狀(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)Si材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，利用Si材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)自身的(de)(de)(de)形(xing)變(bian)吸收充放(fang)(fang)電(dian)過程中的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)，改善Si材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)循(xun)環(huan)性能(neng)；3）Si/C復(fu)合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，通過Si與(yu)石墨材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)復(fu)合，利用石墨材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)緩沖Si材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)在循(xun)環(huan)過程中的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)，以改善Si材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)循(xun)環(huan)性能(neng)。