锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势的分析

张照旭

（商洛学院，陕西 商洛 726000）

锂离子电池是一种高能量二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

在充放电过程中，Li+在2个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。与传统的酸性电池相比，锂电池对材料的要求更高，硅材料被用作负极材料，进行反复试验后，其价值得到凸显，并渐渐成为锂电子的优选材料，分析锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势具有一定的实际意义。

1 锂离子电池硅基负极材料研究现状

1.1 硅脱嵌锂时的结构变化

硅粉最初应用于锂电池中时，所获成果并不理想，造成了硅纳米颗粒发生不可逆的电化学烧结，电池循环性能急剧下降。在其后的研究中，人员尝试控制反应条件，在微量电压（0.02 V）的作用下，锂和硅的化合物会以非晶体的状态存在，并形成由15个锂原子和4个硅原子构成的新产物，产物以晶体形式存在。与传统的晶体不同，新晶体形成的过程中没有发生大量的原子活动，这意味着电化学烧结问题得到避免，满足了锂离子反复游走的需求，也避免了能量的大量释放、消耗，这一研究成果使硅基负极材料在锂电池中的应用取得了长足进步。

1.2 多元素的复合

应用于锂离子电池中的硅往往不是单独存在的，为强化其使用性能，现代学者进行了反复研究，其中较为突出的是多元素复合的尝试，目前较为成功的是碳材料的复合。在充放电过程中，碳材料体积变化相对较小，但导电性能突出，比如石墨单质，此前的相关研究证明，石墨导电过程中，体积只会增加10%左右，这是大部分单质不具备的优越性能。碳与硅的化学性质相近，在特定条件下，二者可以实现复合，结合碳材料本身所具有的结构和大量锂离子通道能，增加锂离子的嵌入位置，这一研究使硅在工作过程中体积快速变大的问题得到解决，是目前硅基负极材料使用的主要方式。

1.3 硅材料的纳米化

对硅材料进行纳米化处理的目的是进一步解决体积增加的问题。在相关研究中，人们发现纯硅负极材料在锂电池中工作存在严重的体积膨胀情况，膨胀率可能达到200%甚至300%以上。为应对这一问题，技术人员尝试对硅材料进行纳米化处理。目前主要包括3个研究方向，即二维纳米化、一维纳米化、零维纳米化。以零维纳米化为例，该技术的核心是制备纳米硅粉体，将尺寸降至100 nm以下，使颗粒细化的硅材料减弱绝对体积变化的不利影响，也能控制硅与活性物质、电解液的直接接触，改善库伦效率。但零维纳米化生产成本高，需要以激光制备，因此推广上存在难度。

1.4 多元硅基合金

多元硅基合金是指将不同元素分别与硅进行化合，提升其各方面的性能，弱化体积增加的问题，并控制电化学烧结。相关研究中，人员发现二元Si-M负极材料可以有效控制体积膨胀，如果加入少量惰性物质，体积变化可以被控制在10%左右，但负面效应是Si-M体系发生活性颗粒循环时，可能出现电化学团聚，导致基体的电化学接触性能降低。以该问题为切入点，人员尝试在实验中加入过渡金属Fe，改变Si-Ti-Ni合金负极的性能。结果表明，经改良的材料初始容量降低了6%～12%，但负极材料整体的容量基本能够维持稳定，由于锂电子属于二次电池，其初始容量的降低并不会对用电设备产生决定性的影响。此外，实验证明，改良后负极材料的库伦效率得到了明显的提升。

2 锂离子电池硅基负极材料发展趋势

2.1 容量的增加

在当前的研究中，硅基负极材料的容量已经远远超过普通酸性电池及大部分碱性电池，但很多应用锂电池的设备工作环境特殊，对电池容量依然有持续要求。考虑正负极容量合适的匹配，硅基材料未来发展还应进一步考虑容量问题[1]。比如提高其首次库伦效率和维持充放电过程中的循环稳定性，在锂离子游走于正负极的过程中，硅材料、锂离子以及其他材料的反复作用会导致电能损耗，如果能将这种运动控制在规律范围内，充放电过程中的循环稳定性会得到显著提升，消耗也就可以设法控制，在不增加电池体积的情况下提升了电能的使用效率，实现容量的间接增加。

2.2 电能的存储

锂离子电池与常规电池存在共同的缺陷，在应用中，电能会不断散失，比如日常生活中常用的锂电池移动电话，即便完全处于待机状态，电能也会不断地减少。设法提升电能的存储能力，是后续锂离子电池硅基负极材料发展的重要课题之一[2]。目前的思路之一是改进硅基活性材料的组成，主要策略是重新设计材料的微观结构和不同材料的搭配比例，以适应硅体积效应并维持电极导电网络。在将硅材料进行纳米化处理后，人员又尝试了硅材料薄膜，将薄膜状的硅元素包覆到碳材料及金属表面，这一方式能够提升硅材料集流体的接触，使硅化物在与其他物质发生反应时能够更加充分，以获得高容量循环性能好的电极材料，实现电能的有效存储。

2.3 寿命的延长

锂电池能量较高、使用寿命较长，但一些特殊机械对电池的要求也在不断提升，这意味着锂离子电池硅基负极材料的寿命也应进一步延长。比如硅-金属合金负极材料，该种材料嵌锂活性较低，但结构稳定性非常理想，而且在电极结构稳定性的保持方面性能出色，能够作为缓冲基体抑制硅体积的膨胀，实现性能的提升、延长电池寿命。由于硅基复合材料的制备方法及结构不同，作为锂离子电池负极材料，其电化学性能也不尽相同，在尝试延长寿命时，首先应注意手段的可行性，如果制备工艺涉及到复杂的技术，即便研究获取进展，也可能难以大规模推广。

3 总结

通过分析锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势，了解了相关理论内容。总体来看，硅基负极材料性能优越，能够提升锂离子电池的使用价值。当前对硅基负极材料的研究集中于多元素的复合、硅材料的纳米化、多元硅基合金等方面，其发展趋势则更注重实用性，包括容量的增加、寿命的延长、电能的存储。深入了解相关内容，有利于推动硅基负极材料在锂离子电池中的进一步应用。

［1］刘柏男，郑杰允，邱新平.锂离子电池负极材料产业化技术进展［J］.储能科学与技术，2016，5（02）：109-119.

［2］王明月，黄海舰，陈雪芳.硅基材料的纳米结构设计和复合化及其在锂离子电池负极材料中的应用［J］.中国科技论文，2015，10（06）：728-734.