硅碳負極材料研究現狀

摘要：由于硅的比容量是目前所有已知的負極材料中最高的，達到了4200mAh/g。但是由于純硅在鋰離子電池中充放電過程中所形成的硅鋰合金會讓負極材料產生巨大的體積膨脹，膨脹率達到300%，從而使負極材料坍塌粉化，破壞了電池的安全性與循環性能，而硅碳復合可以有效的降低負極材料的體積效應。本文對硅碳復合材料的性能及當今的發展現狀進行總結，并預測了其未來的研究方向。

關鍵詞：鋰離子電池；硅碳負極；硅鋰合金

引言

隨著21世紀科技的飛速發展，小型電氣設備例如手機，筆記本電腦，攝像機等和大型的交通工具例如特斯拉公司所生產的電動汽車等基于電池為主要供能的電氣設備對于電池的性能要求也越來越高[1] [2] [3]。鋰離子電池的負極材料主要以石墨材料為主，而石墨的比容量僅為340mAh/g[7]。難以適應當今的市場需求[8]。

硅基材料的比容量是現今所有已知的負極材料中，比容最高的，硅負極在首次充放電過程中生成的SEI膜會消耗大量的鋰離子，造成不可逆的容量損失。

為了抑制硅的體積效應，本文對近年來硅材料及硅碳復合材料的制備方式和影響機理進行了深入的研究，并對其未來的發展趨勢進行了預測。

1.硅基材料

科研人員通過對硅基材料的結構改性做了大量的研究：如納米硅粉，硅納米管，納米薄膜及納米多孔硅的研發，來降低硅的體積膨脹。

純硅的首充比容量較高，一般在3000mAh/g以上，但是其在循環5圈以后比容量便會下降至0。Cho等通過化學氣相沉積法以金屬模板作為合成基片，通過催化劑（單質金），做基片上形成了大量的硅納米線，在進行充放電實驗時，在1000次充放電后，硅納米線仍然具有1000mAh/g的比容量，且其高倍率循環時，比容量衰減較小，Wu等[17]使用鎂熱還原法制備出的多孔硅材料，多孔的結構能夠很好的緩沖硅的體積膨脹，在經過800圈的循環后，其可逆比容量為1200mAh/g，庫倫效率為99.5%，容量保持率為92%。但是其合成工藝復雜，產率低，能耗大，因此不適合工業化生產。

2.硅碳復合材料

2.1 Si@C負極材料

將納米硅粉和碳材料進行混合后，在納米硅粉表面形成碳膜形成反應前驅體后，再將前驅體進行高溫熱解后，將硅顆粒表面的物質碳化后得到Si@C材料，目前碳源主要有：葡萄糖，聚乙二醇，檸檬酸和有機樹脂等。

Xu等將納米硅粉和四氫呋喃，瀝青在80攝氏度條件下，攪拌超聲10h后，低溫蒸發，惰性氣氛下燒結4h后，粉碎細化得到的Si@C負極材料，表面的碳層可以有效抵消納米硅粉在形成硅鋰合金中收到的形變應力，在0.2C條件下進行充放電測試中，其首次充放電容量為620mAh/g，循環100圈后其容量保持率為80%以上。

2.2 Si/G材料

由于石墨烯材料的層狀結構，使其能夠將鋰離子嵌入至層間而不是以化合物的形式出現，所以其在嵌鋰過程能夠表現出較大的比容量。Liu等將微米硅和石墨烯機械混合后得到的Si/G材料，其結構如圖2所示，由于其在充放電過程中所形成的SEI膜能夠抑制鋰離子不可逆的損失，其首圈效率能夠達到85%。在0.1C倍率下循環100圈后，其容量保持為510mAh/g。

王兆等利用海藻土作為硅源，通過高溫除雜，鎂熱還原后，制備出了一種呈網格狀的硅碳復合結構，納米碳顆粒直接覆蓋在海藻石表面，在進行脫嵌鋰過程中，硅網格降低了硅碳合金的體積應力，表面的碳層可以有效的提高硅的導電性能與可循環性能，從而達到一個穩定的平衡。在倍率條件為0.2C條件下，在經過1000圈循環后，其可逆比容剩余為1200mAh/g，取得了良好的效果。

2.3 其他類型復合材料

將金屬及其氧化物和硅碳負極材料參雜后，通過不同材料在形成鋰合金過程中協同作用，并取得了良好的電化學性能。

Lee等將納米硅粉和鎳進行參雜后，通過電子脈沖將油酸覆蓋至硅鎳復合材料中，并在800攝氏度條件下進行碳化處理后制備出Ni-Si/C材料。其比表面積很高，球形的結構能夠縮短鋰離子的傳輸路徑，在0.1C條件下進行充放電測試時，經過500次循環后其可逆比容量為900mAh/g。容量保持率達到了97%。

3.結論與展望

由于近年來對鋰離子電池的比容量和循環性，安全性的需求越來越高，所以必須要研究出能量密度更高負極材料。本文對目前硅碳負極材料研究領域的三種主要方向進行了研究。

（1）硅碳復合后，可以有效的抑制了體積效應從而提高硅碳負極材料的循環性能與能量密度。

（2）復合化，納米化負極材料能夠保證充放電過程鋰離子電池的穩定性，同時降低了鋰離子電池的首充鋰離子不可逆損失。未來的硅基負極材料的研究方向主要從復合化納米化方向出發。

參考文獻

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作者簡介：童治熬，男，19950818，漢，四川省三臺縣紫河鎮杜家溝村四組050號，本科，學生，研究方向 材料科學與工程。

（作者單位：成都紡織高等?？茖W校）