硅負極的魔咒何解？Si/C復合的破咒之道

硅基負極的前景被大家看好，但是硅負極存在讓人頭疼的缺陷，比如導電性差、體積膨脹等，嚴重限制了硅基負極的實際應用。

除了對硅材料進行納米化改性外，研究者還探索了其他路徑對硅負極進行優化。路徑之一就是將硅顆粒與碳類材料復合提升硅基負極的性能，緩解硅負極本身存在的缺陷。

1、Si/C殼結構復合

為了改善硅負極的缺陷，研究人員在硅基材料的外層再包覆一層碳層作為保護層，用于緩沖循環過程中體積形變所產生的應力，同時還可以增加負極材料的電子電導和離子電導。

Si/C殼核結構示意圖

這種Si/C復合結構包括核殼結構、蛋黃殼結構和多孔結構等。殼結構將碳殼包覆Si核，優勢在于完整的外殼充當緩沖層，可有效地減輕Si的體積膨脹，從而避免Si電極開裂并保持其形態。完整的外殼阻止了Si與電解質之間的直接接觸，這有助于形成穩定的SEI膜，從而使其可以獲得優異的循環穩定性。同時，完整的殼還減少了由于Si表面與電解質之間直接接觸而產生的副反應。此外，外殼可以由許多其他功能性材料組成，這些功能性材料可以提高電子傳導性，促進鋰離子快速擴散，提供額外的容量或帶來新的性能。

2、Si/石墨烯復合

石墨烯具有較高的比表面積、良好的電導率和良好的機械性能，可提高硅的可逆容量、循環穩定性和速率性能。因此，研究人員對Si/石墨烯進行復合。Chou等通過簡單混合法制備了納米級硅/石墨烯復合物。在石墨烯獨特的片狀結構中，Si納米顆粒分散而不團聚。Huang等通過簡單的球磨和炭化工藝合成了一種新型硅/微剝離石墨（SEG）/碳復合材料。SEG層間具有豐富的孔隙和空隙，對Si的膨脹和整個復合材料的導電性骨架起到緩沖作用。非晶態碳提高了Si納米顆粒的導電性，并使Si納米顆粒與SEG之間有良好的連接。該材料在電流密度0.1和0.5A/g下分別表現出1456和1056mA·h/g的可逆容量。為了解決石墨（或石墨烯）與Si之間的界面附著力差所帶來的問題，同時實現高容量和良好的循環性，通過引入非晶碳等第三相來構建多組分體系是很有吸引力的。相比之下，Si/石墨烯復合材料的容量保留率和初始庫侖效率均顯著高于納米Si。

3、Si/碳納米管復合

碳納米管是由單層或多層的石墨片卷曲而成的一維量子材料，層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，層間距較大有利于鋰離子的脫嵌。與石墨相比，碳納米管和納米碳纖維等具有良好的電導率、優異的機械強度和較高的彈性模量。因此，碳納米管和納米碳纖維可以更有效地構建導電網絡和更好的韌性矩陣，以減輕硅負極材料的體積膨脹引起的不良影響。具有高電導率、大比表面積、優異的機械和化學穩定性的一維碳納米管被廣泛用作支撐納米硅的基材。碳納米管的添加改善了電極的電子/離子電導率，保護了SEI膜并防止了硅顆粒在循環過程中的聚集。

Wang等用射頻等離子體增強化學氣相沉積法制備出了Si/碳納米管復合材料。電化學測試結果表明，首次可逆比容量為2978mA·h/g，循環200次之后容量保持率保持在一個較高的水平，循環穩定性能優異。他們認為這歸因于碳納米管能夠緩沖硅的體積變化，保證了電極結構的完整，并且薄膜孔隙大小的分級結構使得界面脫層問題得到有效緩解。

以上是關于Si/C復合材料三個路徑的介紹，對于硅碳復合材料的研究還有不少其他成果，這里不再列舉。通過Si/C復合的路徑，能夠顯著改善硅負極材料的電化學性能，可以有效地緩解硅的體積效應，提高電極材料的循環穩定。隨著研究的深入，相信未來硅基負極的商業化之路將會越來越平坦。

參考來源：

[1]瞿詩鵬.硅碳復合材料作為鋰離子電池負極材料研究進展

[2]張偉等.鋰離子電池硅/碳復合負極材料研究進展

[3]邱治文等.Si基鋰離子電池負極材料研究進展

[4]韓慕瑤等.硅及硅基負極材料的研究進展

[5]郝浩博等.鋰離子電池硅基負極材料研究與進展

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