【會議報告】馴服硅負極：破解膨脹難題

硅負極因其極高的理論比容量（4200mAh/g，遠超石墨負極的372mAh/g）和豐富的自然儲量，被視為下一代鋰離子電池最具前景的負極材料。然而，硅在充放電過程中存在嚴重的體積效應（膨脹率高達300%），導致電極結(jié)構(gòu)破裂、固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜持續(xù)生長，最終引發(fā)循環(huán)容量迅速衰減，極大地限制了其商業(yè)化應用。

針對這一關鍵科學問題，近年來研究者從納米化、摻雜改性、復合材料及構(gòu)建緩沖層和表面修飾等角度出發(fā)，提出了多種改性策略，旨在提升硅負極的界面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，推動其在高能量密度電池中的實際應用。

納米化

硅材料的尺寸對鋰離子電池性能有一定程度的影響，目前常見的有納米硅顆粒、硅納米線、硅納米管等。納米級別的硅材料可以將體積膨脹帶來的內(nèi)部應力降低，同時它具有高的比表面積可以提供更廣的電解質(zhì)與電極的接觸面積，縮短鋰離子的傳輸距離。

摻雜改性

硅材料是一種半導體材料，其電導率較低對其應用起到了一定的阻礙作用，因此，摻雜元素是提高材料電導率的一種有效方法。目前研究人員采用較多的是硼、氮和磷等元素摻雜。對硅材料進行硼摻雜，可以在硅材料上形成p型半導體；而對硅材料進行氮和磷摻雜，形成的則是n型半導體。無論是哪種類型，都在一定程度上改善了硅材料的電導率。

復合材料及構(gòu)建緩沖層

目前最常見的硅基復合材料是硅材料與碳材料形成的硅碳復合材料。在硅基材料表面包覆一層碳層，碳層可以提高復合材料的電導率；可緩解硅在電化學反應中由于膨脹而產(chǎn)生的應力；能在電化學反應的時候隔絕硅材料直接與電解液的接觸。碳包覆層一般都是無定形碳，分為軟碳和硬碳。軟碳碳源一般為瀝青，而硬碳主要是樹脂和葡萄糖等有機物碳源。同時，在構(gòu)建碳包覆層的時候還可以對這種核殼結(jié)構(gòu)進行改進，構(gòu)成一種中空的結(jié)構(gòu)層，在硅與碳層中間有一個空隙，用以緩解硅在電化學反應過程中的膨脹帶來的體積變化。此外，復合材料常見的還有硅/石墨，這也是工業(yè)上硅基復合材料比較成熟的工藝之一。

表面修飾

在硅材料表面進行改性也是目前對硅基材料研究的一個方向，研究人員對硅表面進行改性處理，形成一些官能團如羥基（-OH）、氨基（-NH₂）、羧基（-COOH）和一些烷基及環(huán)氧基團等，這些基團可以與粘結(jié)劑之間直接成鍵或者形成氫鍵，使得材料可以更好的抵抗體積膨脹。除了上述官能團及碳包覆的方法之外，還可以采用一些有機物對硅顆粒進行改性，同樣起到隔絕硅材料直接與電解液的接觸，同時還可在電化學反應過程中有利于SEI膜的形成并且使得形成的SEI膜穩(wěn)定。

針對各類負極材料的產(chǎn)業(yè)化技術與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于2025年6月24-25日在安徽·合肥舉辦第二屆硅基負極材料技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術論壇。大會旨在為負極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，來自蘇州大學的王艷副教授將作題為《高性能硅基負極關鍵材料及其在鋰離子電池中的應用》的報告。

本次報告將聚焦導致硅負極循環(huán)容量迅速衰減的“體積效應”這一關鍵科學問題，探討從表面修飾、粘結(jié)劑設計、體相摻雜三個維度出發(fā)，對硅負極進行改性的研究策略。通過針對性改性措施，旨在緩解硅負極在充放電過程中的體積變化，提升其界面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而改善硅基鋰離子電池的循環(huán)性能，為其商業(yè)化應用提供理論支持與技術參考。

專家簡介：

王艷，副教授，碩士研究生導師。2018年6月博士畢業(yè)于蘇州大學能源學院，導師鄭洪河教授。同年8月入選蘇州大學優(yōu)秀青年學者人才計劃留校工作。主要從事鋰離子電池關鍵材料與技術研究，包括高性能硅基負極關鍵材料研究與應用、有機/石墨復合負極的設計與優(yōu)化、功能分子的電荷存儲與轉(zhuǎn)移機制研究。以一作/通訊在高水平期刊發(fā)表SCI論文46篇，其中一區(qū)36篇，IF>10的論文28篇，H-Index 31。獲授權(quán)中國發(fā)明專利11項。主持國家自然科學基金面上項目和青年項目、江蘇省優(yōu)青項目和青年項目共計4項。

參考來源：

鐘波《硅基負極材料的表面改性及其在鋰離子電池中的應用》

ICM工業(yè)化學與材料《東華大學楊建平教授團隊：鋰離子電池硅基負極材料研究進展與挑戰(zhàn)》

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