中國粉體網(wǎng)訊  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(yōu)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(huán)過程中體積形變所產(chǎn)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(yōu)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(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,，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。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(huán)穩(wěn)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(tài)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(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，同時實現(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(yōu)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(wǎng)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(yōu)異的機械和化學穩(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/離子電導率,，保護了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(huán)200次之后容量保持率保持在一個較高的水平,，循環(huán)穩(wěn)定性能優(yōu)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(huán)穩(wěn)定,。隨著研究的深入,，相信未來硅基負極的商業(yè)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

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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