一文了解纳米级硅负极材料

随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，动力电池相关材料也向着提供更高能量密度的方向发展。负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。

目前市场上锂电池使用的多为石墨负极材料，从石墨的比容量和压实密度看，负极材料的能量密度很难再得到提高。此外，石墨片还存在易发生剥离、循环性能不理想等问题。

传统锂离子电池的石墨负极已经无法满足现有需求，高能量密度负极材料成为企业追逐的新热点。硅基负极材料由于丰富的储量和超高的理论比容量正逐渐成为电池企业和锂电材料商改善负极的最优先选择，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

石墨类负极材料VS硅负极材料

石墨类碳材料的锂离子电池其理论比容量只有372mAh/g，因而限制了锂离子电池比能量的进一步提高，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求。并且碳材料存在充放电容量低，高倍率充放电性能差，在电解质中稳定性较差等问题。

与石墨负极材料相比，硅负极材料的能量密度优势明显。石墨的理论能量密度是372 mAh/g，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200mAh/g。但是，硅基材料也存在较为明显的缺点，主要有以下两方面：一是充放电过程中会引起硅体积膨胀;二是硅是半导体材料，导电性较石墨差很多。

纳米级硅负极材料

为改善硅基负极材料的循环性能，提高材料在循环过程中的结构稳定性，通常将硅材料纳米化。用于锂离子电池的纳米级硅负极材料主要分为四类：纳米硅颗粒、纳米硅薄膜、硅纳米线和硅纳米管、3D多孔结构硅和中空多孔硅。

纳米硅颗粒

当合金材料的颗粒达到纳米级时，充放电过程中的体积膨胀会大大减轻，性能也会有所提高。但是纳米颗粒材料具有较大的表面能，容易发生团聚，反而会使充放电效率降低并加快容量的衰减。

纳米硅薄膜

纳米硅薄膜制备方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法和磁控溅射法等。它具有无定型结构而不是晶体结构，在充放电循环中允许均质化的膨胀-收缩，能够更加有效的适应锂的嵌入和脱嵌过程。但其薄膜厚度不能提供足够的活性材料，抑制了其商业化应用。

硅纳米线&硅纳米管

将硅制备成纳米线，电子传导在1D方向进行，所有硅得到利用，纳米线之间缝隙，预留了膨胀空间，有效的改善了材料的循环性能。但其所采用的集流体质量远大于活性物质硅的质量。

3D多孔结构硅&中空多孔硅

3D多孔结构硅核中空多孔硅在一定程度上可以抑制材料的体积效应，同时还能减小锂离子的扩散距离，提高电化学反应速率。但它们的比表面积都很大，增大了与电解液的直接接触，导致副反应及不可逆容量增加，降低库仑效率。此外，硅活性颗粒在充放电过程中很容易团聚，发生“电化学烧结”，加快容量衰减。

展望

尽管硅基材料具有脱/嵌锂体积变化大、循环性能不理想的缺点，但是仍然具有较大的应用潜能。纳米级别的硅负极材料是目前广泛研究并且效果比较理想的方法。通过研究各种纳米硅的制备方法，进一步优化材料的制备工艺，实现具有更高容量和优良循环性能的纳米硅基材料的低成本制备。相信随着锂电产业的快速发展，有望将纳米硅基负极材料应用于商业化锂离子电池中。