中國粉體網(wǎng)訊  硅材料以其理論比容量高(4200mAh/g)、脫/嵌鋰電位較低、元素儲量豐富等特點，被認為是商業(yè)化碳材料最具前景的替代材料之一。但是，硅在脫/嵌鋰過程中體積膨脹高達420%，劇烈的體積效應(yīng)會引發(fā)一系列的負反應(yīng)，限制了其實際應(yīng)用。

硅與石墨、碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)和石墨烯等不同的碳載體結(jié)合，制備復(fù)合材料，可得到具有優(yōu)異儲鋰性能的硅/碳復(fù)合負極材料。硅在復(fù)合材料中作為主要活性物質(zhì)，提供高容量；碳材料作為載體，緩沖硅顆粒的體積變化，并作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，維持電極內(nèi)部良好的電子導(dǎo)電性。

接下來，中國粉體網(wǎng)小編將通過本文介紹硅碳復(fù)合材料的種類，以及不同種類碳載體與硅復(fù)合而形成的硅碳復(fù)合材料的特點及制備方式。

1.硅/石墨復(fù)合材料

1.1特點

石墨是一種層狀結(jié)構(gòu)的晶體，來源廣、價格較低，具有良好的導(dǎo)電性能。在硅負極中添加少量石墨可以有效地改善電極的電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)在石墨片及插入片層結(jié)構(gòu)之間的硅顆粒組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，石墨不僅可以作為穩(wěn)定SEI層的有效基底，還可以防止硅顆粒的團聚，促進陽極的電子輸運。

1.2制備方式

采用高能球磨的方法，將納米硅粉分散在石墨結(jié)構(gòu)中，可以有效地緩解硅材料在充放電過程中劇烈的體積變化，石墨還可以阻斷部分硅與電解液發(fā)生接觸。相比于純納米硅，硅/石墨復(fù)合材料具有更好的循環(huán)性能，15次循環(huán)后容量保持率接近90%，前5次循環(huán)總?cè)萘克�減僅為40mAh/g，低于納米硅的125mAh/g。這是由于納米硅顆粒良好的塑性和形變性，因此在提高電池循環(huán)穩(wěn)定性方面起到了重要的作用。

2.硅/碳納米管復(fù)合材料

2.1特點

碳納米管長徑比高、機械強度高，又具有較好的柔韌性，但單獨用作負極材料時，存在首次不可逆容量大、缺乏穩(wěn)定的放電電壓平臺等問題。將碳納米管與硅材料復(fù)合，可發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，獲得較好的儲鋰性能。

2.2制備方式

3.硅/碳納米纖維復(fù)合材料

3.1特點

碳納米纖維除了具有低密度、高比模量、高比強度、高導(dǎo)電和熱穩(wěn)定性等特性外，還具有缺陷數(shù)量少、長徑比大、比表面積大和結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點。碳納米纖維是一種高性能纖維，既具有碳材料電子電導(dǎo)率高的特征，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性。研究發(fā)現(xiàn)，將碳納米纖維與硅進行復(fù)合時，可以為硅材料提供一個體積膨脹緩沖空間，進而降低體積變化所帶來的不利影響。

3.2制備方式

電泳技術(shù)可直接將無黏結(jié)劑和導(dǎo)電劑的活性物質(zhì)沉積到集流體上，用于制備硅碳負極材料。利用電泳沉積（EPD）法制備海綿狀硅/碳納米纖維復(fù)合材料。先用硫酸與雙氧水的混合溶液對CNF和Si進行表面修飾，使表面帶有大量的羥基和羧基，從而在溶液中帶有負電荷，在外加電場的作用下一起沉積到銅箔上。硅和CNF在集流體上形成海綿狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)可緩解硅在循環(huán)過程中的體積膨脹。復(fù)合材料以0.4A/g電流在0-0.8V循環(huán)100次，可保持670mAh/g的比容量，在電流為2.0A/g時的可逆比容量仍有358mAh/g，表現(xiàn)出較好的循環(huán)和倍率性能。

4.硅/石墨烯復(fù)合材料

4.1特點

石墨烯柔韌性好、比表面積大(理論值為2630m²/g)、電子電荷導(dǎo)電率高，力學(xué)性能出色（比金剛石強40倍），是包覆硅納米顆粒的理想材料，受到人們的廣泛關(guān)注，很多人將其用于硅負極材料中以提高電池性能。

4.2制備方式

以鎳作為催化劑，在硅表面原位催化生長3D多層石墨烯，制備出核-殼結(jié)構(gòu)硅/石墨烯復(fù)合材料。具有高強度和柔性的石墨烯可緩解硅循環(huán)時的體積膨脹，與硅的緊密接觸，可改善電子傳輸能力，使硅免于直接與電解液接觸形成穩(wěn)定的SEI膜。產(chǎn)物以0.2A/g電流在0.01-1.50V循環(huán)100次，具有1909mAh/g的放電比容量，在52.0A/g大電流下仍有975mAh/g的放電比容量，表現(xiàn)出很好的倍率性能。

結(jié)語

硅材料是目前已知的擁有最高理論比容量的負極材料，作為鋰電池負極，在提高動力電池性能上有著巨大的潛力，并且工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的時間窗口已經(jīng)來臨。但是，其存在的充放電過程中巨大的體積變化現(xiàn)象、導(dǎo)電率低和循環(huán)壽命較差等問題，對純硅材料的商業(yè)化應(yīng)用有著較大的負面影響。不可否認的是，隨著技術(shù)的進步，上述問題已不再是制約硅碳材料發(fā)展的核心問題，通過添加穩(wěn)定性好、導(dǎo)電率佳的碳材料，可降低首次不可逆容量，緩解材料的體積膨脹，并改善倍率和循環(huán)性能。

參考資料：

【1】張成鵬，等. 鋰電池硅碳負極材料的研究進展. 2020.

【2】方華，等. 鋰離子電池硅/碳復(fù)合負極材料的研究現(xiàn)狀. 2020.

【3】潘雨默，等. 鋰離子電池硅基負極材料的研究進展. 2019.

【4】周軍華，等. 鋰離子電池納米硅碳負極材料研究進展. 2020.

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初心）

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