研究热点与改进方向

研究热点: 硅被认为是最有前景的负极材料之一，其理论克容量可达 4200 mAh/g，超过石墨材料10 倍以上，同时 Si 的嵌锂电位高于碳材料，充电析锂风险小，更加安全。目前硅基材料的研究热点分为两个方向，分别是纳米硅碳材料和硅氧( SiOx) 负极材料。

应用难题: ①脱嵌锂带来的巨大的体积膨胀和收缩而导致的颗粒破碎粉化及电极结构破坏，造成电化学性能失效; ②由于膨胀收缩带来的 SEI 膜不断破坏重组，持续消耗电解液和可逆锂源导致电极容量衰减加速，充放电效率急剧降低。

改进的方向: 针对以上问题，学者们近年来不断探索新方法改善硅负极材料性能，目前的主流方向是采用石墨作为基体，掺入质量分数 5%～10% 的纳米硅或 SiOx组成复合材料并进行碳包覆，抑制颗粒体积变化，提高循环稳定性。

3． 2 纳米硅碳材料

材料设计: 最初纳米硅碳材料研究主要聚焦于400～500 m Ah/g 的低容量方向，材料结构主要有核壳型和包埋型两种。李泓团队在设计之初就考虑尽可能提高基体石墨含量，缓解脱嵌锂应变，降低反弹; 另外，优选表面包覆剂种类、含量和烧结工艺，提高包覆层完整性，引入液相分散工艺，提高分散均匀性，更好的发挥纳米硅尺寸效应。

优化电池化学体系: 除材料设计以外，还通过研究粘结剂、导电剂和电解液优化电池化学体系，400m Ah/g 硅碳材料 600 次循环容量保持率 80% 以上，在此基础上，通过优化颗粒结构，开发高功率型材料。目前业内使用低容量材料制成的锂离子电池已经实现量产，但从实际结果来看，对电池比能量提升极为有限。

掺杂纳米硅制备工艺: 高容量硅碳负极由于石墨含量少，研究重点在于硅颗粒体积膨胀带来的循环稳定性和充放电效率差的问题，同时还需应对分散困难和加工性能差的新问题。李泓课题组从原材料出发，开发了一套低成本、高效率的掺杂纳米硅制备工艺，辅以气相包覆手段，降低了材料比表面积，改善了其表面特性和加工性能。与石墨掺混制成500 mAh/g 的负极材料，在应用过程中适当降低压实密度，500 个循环容量保持率可达 80% 。

复合材料的制备工艺: 李泓团队还研发出一种大规模硅碳复合材料的制备工艺，采用微纳复合结构，使纳米硅均匀分散在三维导电网络中。与宁波材料所合作，经与石墨掺混制成 600 mAh/g 的负极材料，正极选取富锂相材料，研制出的软包电池能量密度高达 374 Wh/kg。

3． 3 SiOx材料

补锂: SiOx材料可逆容量高达 1500 ～ 2000mAh/g，同时其嵌锂过程中的体积膨胀仅为 120%( 纳米硅材料可达 300% 以上) ，从而极大地提升了Si 基材料的循环寿命。然而 SiO 材料 Li 在首次嵌入的过程中，会生成没有电化学活性的 Li4SiO4，导致 SiOx材料的首次效率远远低于石墨和硅碳材料，这也成为了 SiOx材料应用的主要障碍，因此，针对SiOx材料的研究主要集中在如何降低首次不可逆容量上。研究人员为此开发出不同的补锂方法，试图补偿首次充电过程负极消耗的活性锂。

造粒: 复旦大学 YUZHANG 等人通过球磨的方法将 SiO、Mg O 和 Si 材料进行研磨混合得到纳米尺度的颗粒，并利用喷雾干燥进行造粒，制得的复合材料中的 MgO 成分与 SiOx材料中的 SiO2反应生成MgSiO3，大大减少首次嵌锂的不可逆损失，SiOx材料的首次效率提升 8% 以上。该材料的制备方法简单高效，具有规模化生产的潜力［7］。

锂离子预嵌入: ZHAO 等人报道了采用惰性金属锂粉( SLMP) 直接均一地分散在硅氧电极表面，经辊压活化和电解液的浸润，SLMP 脱出锂离子预嵌入硅氧电极，大大提高了首次库伦效率和放电比容量［8］。

电化学预锂: CHOI 课题组［9］开发出一种精确的电化学预锂化方法，采用外电路短路的方式，其预锂化程度和电压可以实时监测，因此嵌锂量可有效控制，避免锂沉积，隔膜的存在，有助于均匀嵌锂，形成稳定的 SEI 膜。经预锂化后，与 NCA 组成全电池首次库伦效率可达 85.34% ，循环稳定性也有改善。

研制方向: SiOx材料的预锂化工艺由于对环境的高要求，还停留在实验室阶段，无法规模化应用。因此后续的研究重点将主要集中在正极材料预锂化和 SiOx材料制成预锂化等方向。