硅負(fù)極的魔咒何解？Si/C復(fù)合的破咒之道

硅基負(fù)極的前景被大家看好，但是硅負(fù)極存在讓人頭疼的缺陷，比如導(dǎo)電性差、體積膨脹等，嚴(yán)重限制了硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。

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

1、Si/C殼結(jié)構(gòu)復(fù)合

為了改善硅負(fù)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(hù)層，用于緩沖循環(huán)過程中體積形變所產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)還可以增加負(fù)極材料的電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)。

Si/C殼核結(jié)構(gòu)示意圖

這種Si/C復(fù)合結(jié)構(gòu)包括核殼結(jié)構(gòu)、蛋黃殼結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)等。殼結(jié)構(gòu)將碳?xì)ぐ睸i核，優(yōu)勢(shì)在于完整的外殼充當(dāng)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(tài)。完整的外殼阻止了Si與電解質(zhì)之間的直接接觸，這有助于形成穩(wěn)定的SEI膜，從而使其可以獲得優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，完整的殼還減少了由于Si表面與電解質(zhì)之間直接接觸而產(chǎn)生的副反應(yīng)。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(dǎo)性，促進(jìn)鋰離子快速擴(kuò)散，提供額外的容量或帶來新的性能。

2、Si/石墨烯復(fù)合

石墨烯具有較高的比表面積、良好的電導(dǎo)率和良好的機(jī)械性能，可提高硅的可逆容量、循環(huán)穩(wěn)定性和速率性能。因此，研究人員對(duì)Si/石墨烯進(jìn)行復(fù)合。Chou等通過簡(jiǎn)單混合法制備了納米級(jí)硅/石墨烯復(fù)合物。在石墨烯獨(dú)特的片狀結(jié)構(gòu)中，Si納米顆粒分散而不團(tuán)聚。Huang等通過簡(jiǎn)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(fù)合材料。SEG層間具有豐富的孔隙和空隙，對(duì)Si的膨脹和整個(gè)復(fù)合材料的導(dǎo)電性骨架起到緩沖作用。非晶態(tài)碳提高了Si納米顆粒的導(dǎo)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(xiàn)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(shí)實(shí)現(xiàn)高容量和良好的循環(huán)性，通過引入非晶碳等第三相來構(gòu)建多組分體系是很有吸引力的。相比之下，Si/石墨烯復(fù)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(fù)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(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)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(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和更好的韌性矩陣，以減輕硅負(fù)極材料的體積膨脹引起的不良影響。具有高電導(dǎo)率、大比表面積、優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)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(dǎo)率，保護(hù)了SEI膜并防止了硅顆粒在循環(huán)過程中的聚集。

Wang等用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備出了Si/碳納米管復(fù)合材料。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，首次可逆比容量為2978mA·h/g，循環(huán)200次之后容量保持率保持在一個(gè)較高的水平，循環(huán)穩(wěn)定性能優(yōu)異。他們認(rèn)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(jié)構(gòu)的完整，并且薄膜孔隙大小的分級(jí)結(jié)構(gòu)使得界面脫層問題得到有效緩解。

以上是關(guān)于Si/C復(fù)合材料三個(gè)路徑的介紹，對(duì)于硅碳復(fù)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(fù)合的路徑，能夠顯著改善硅負(fù)極材料的電化學(xué)性能，可以有效地緩解硅的體積效應(yīng)，提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定。隨著研究的深入，相信未來硅基負(fù)極的商業(yè)化之路將會(huì)越來越平坦。

參考來源：

[1]瞿詩鵬.硅碳復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料研究進(jìn)展

[2]張偉等.鋰離子電池硅/碳復(fù)合負(fù)極材料研究進(jìn)展

[3]邱治文等.Si基鋰離子電池負(fù)極材料研究進(jìn)展

[4]韓慕瑤等.硅及硅基負(fù)極材料的研究進(jìn)展

[5]郝浩博等.鋰離子電池硅基負(fù)極材料研究與進(jìn)展

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