中国粉体网讯 硅材料的比容量（Li15Si4,3590mAh/g）是已商用化的石墨负极（LiC6,372mAh/g）的10倍，硅负极的商业化可有效提高单体电芯的容量，已成为当前研究热点。但硅负极在充放电过程时体积变化巨大和电导率低限制了其应用。
由于硅负极材料在充放电循环时存在400%的体积膨胀，容易导致电极材料粉化开裂而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固体电解质相界面膜（SEI膜），最终导致电化学性能的恶化。
由体积效应引发的负反应主要体现在以下三个方面：
（1）硅材料粉化，体积变化过程中产生的应力，会使硅颗粒相互挤压、粉化，进而失去电接触导致容量迅速衰减。
（2）电极结构破坏，对于硅材料来说，传统的粘结剂（如PVDF）无法承受其巨大的体积变化，使得活性材料从集流体上脱落，导致电极结构被破坏，电池循环稳定性很差。
（3）不稳定的SEI膜，体积效应还会使SEI膜不稳定，体积效应还会使得硅表面SEI膜在充放电过程性中不断的破裂、再生长，导致库伦效率降低，电极的电子导电性变差，电池内阻增加等。
充电和放电期间硅体积膨胀示意图
针对上述问题，目前的研究大致可分为以下三种途径：
1硅负极材料的纳米化
纳米材料是一种新型材料，与传统材料相比，纳米材料最大的特点在于粒子的尺寸，它的体积在单体和聚合物之间，从而具有特殊的属性，如小尺寸效应，表面效应等。纳米材料作为嵌锂材料可以增加比表面积，使得锂离子电池脱/嵌深度变小，移动距离更短，大大改善了电极可逆嵌锂容量小、循环能力差以及极化程度高等缺点，同时当电池在高压环境工作时体积也不会发生巨大改变，有望延长电池的循环寿命。
2硅负极材料的结构改性
（1）硅纳米线
作为锂离子电池负极材料，与零维纳米材料有所不同：①电子转移时不需要克服因颗粒接触产生的界面势垒；②其结构能有效缓冲材料的体积变化，增大与电解液的接触面积，大大改善了锂离子电池的库仑效率和循环性能。
（2）硅纳米薄膜
二维纳米材料即硅薄膜。二维材料比表面积较大，有利于锂离子电池的快速扩散，由小颗粒组成的均匀薄膜在一定程度上增大了材料与集流体的接触面积，并抑制游离硅粒子的运动，可以很好地保持电极材料的结构完整性，延长硅负极材料的循环寿命。
（3）多孔和中空结构硅材料
多孔结构能缓冲电极在充放电过程中的体积效应，提高循环稳定性。
3硅负极材料的复合化
制备成复合材料也是改善硅基材料性能的方法之一。将金属、碳等具有较好机械性能和较强导电性的材料加入进去，能吸收复合材料的内部应力，改善复合材料的导电性，增强电极的倍率性能。
（1）硅/金属复合材料
硅/金属复合材料即M-Si体系，其中M包括无法与锂反应的惰性金属，也包括能与锂参与脱嵌反应的金属。
（2）硅/碳复合材料
硅与非金属复合会形成一种核壳结构，该材料可以减缓内核硅颗粒的体积变化，可以有效解决循环过程中材料体积膨胀的问题，改善循环性能。
Si/C核壳结构的扫描电镜图
参考来源：
戴剑锋.硅基锂离子电池负极材料的容量衰减及改进研究
潘雨默.锂离子电池硅基负极材料的研究进展
肖忠良.锂离子电池硅基负极材料研究进展
（中国粉体网编辑整理/墨玉）
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