硅是目前人類至今為止發(fā)現(xiàn)的比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)極材料,是一種最有潛力的負(fù)極材料，但硅作為鋰電池負(fù)極應(yīng)用也有一些瓶頸，第一個問題是硅在反應(yīng)中會出現(xiàn)體積膨脹的問題。通過理論計算和實驗可以證明嵌鋰和脫鋰都會引起體積變化，這個體積變化是320%。所以不論做成什么樣的材料，微觀上，在硅的原子尺度或者納米尺度，它的膨脹是300%。在材料設(shè)計時必需要考慮大的體積變化問題。高體積容量的材料在局部會產(chǎn)生力學(xué)上的問題，通過一系列的基礎(chǔ)研究證明，它會裂開，形成嚴(yán)重的脫落。

硅體積膨脹會導(dǎo)致一系列結(jié)果

1. 顆粒粉化，循環(huán)性能差

2. 活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑粘結(jié)劑接觸差

第二個問題就是在硅表面的SEI膜是比較厚且不均勻的，受溫度和添加劑的影響很大，會影響鋰離子電池中整個比能量的發(fā)揮。

從長期的基礎(chǔ)研究來看，①通過硅粉納米化；②硅碳包覆；等技術(shù)手段可以有效解決硅在鋰電池負(fù)極應(yīng)用中遇到的問題。無論是納米硅碳還是氧化亞硅碳，硅力求做到以下幾點：

1. 硅粒徑：＜20nm（理論上越小越好）

2. 均勻度：標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5nm

3. 純度：＞99.95%

4. 形貌：100%球形率

另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和電解液接觸，產(chǎn)生厚的SEI膜的消耗。微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計也很重要，要來維持在循環(huán)過程中電子的接觸，離子的通道，體積的膨脹。

碳包覆機理在于：Si的體積膨脹由石墨和無定形包覆層共同承擔(dān)，避免負(fù)極材料在嵌脫鋰過程因巨大的體積變化和應(yīng)力而粉化。碳包覆的作用是：

（1）約束和緩沖活性中心的體積膨脹

（2）阻止納米活性粒子的團聚

（3）阻止電解液向中心滲透，保持穩(wěn)定的界面和SEI

（4）硅材料貢獻高比容量，碳材料貢獻高導(dǎo)電性

三．硅碳負(fù)極具有非常廣闊的市場空間

負(fù)極材料技術(shù)相對比較成熟，且其集中度較高，產(chǎn)能由日本向中國轉(zhuǎn)移比較明顯。目前負(fù)極材料以碳素材料為主，占鋰電池成本較低，在國內(nèi)基本全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。從區(qū)域看，中國和日本是全球主要的產(chǎn)銷國，動力電池企業(yè)采購負(fù)極主要來自于日本企業(yè)。

2012-2016年中國負(fù)極材料產(chǎn)量情況（萬噸）

2015 年，全球負(fù)極材料總體出貨量為11.08 萬噸，同比增長29.59%。其中中國負(fù)極材料的出貨量達到7.28 萬噸，同比增長41.1%，占比高達 66%。近幾年，隨著中國生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，中國又是負(fù)極材料原料的主要產(chǎn)地，鋰電負(fù)極產(chǎn)業(yè)不斷向中國轉(zhuǎn)移，市場占有率不斷提高。硅碳負(fù)極材料是未來鋰電池負(fù)極材料最具應(yīng)用潛力的，可見硅碳負(fù)極材料的市場容量有多大，這也解釋了目前為何有眾多企業(yè)和研究單位布局硅碳負(fù)極材料。

參考資料：

1.鈦酸鋰基鋰離子電池的析氣特性

2.炭材料在鋰離子電池中的應(yīng)用及前景

3.Possible Strategies to Enhance The Cyclability of Si-based Anodes

4.北京化工大學(xué)化工資源有效利用國家重點實驗室材料電化學(xué)過程與技術(shù)北京市重點實驗室，北京100029

5.化學(xué)進展，2015，7（9）

6.Kim H , Seo M, Park M H ,Cho J.Chem. Int.ed.,2010,49:2146

7.Electrochemical andSolid-State Letters, 2 (11) 547-549(1999)

8.Y. L. Li,Y. Liang,K. S. Xiao, F. Zheng, and Z. Q. Hu, Acta Metall. Sin., 31, B21(1995).