一摘要：
隨著油電混合動力電動車、純電動車及輕便式消費電子產品的發展，對高比容量的鋰離子電池的需求日益強烈。鋰離子電池的技術關鍵在於正負極材料，目前，已經實現商業化應用的鋰離子電池負極材料侷限於以石墨為代表的碳素材料，其最大理論比容量僅有 372mah／g，已不能滿足高比能量電池應用的要求。矽及含矽材料以其高達 4000mah／g 的比容量，被認為是一種很有前途的負極材料。
但是矽材料在電池充放電迴圈過程中體積膨脹比較劇烈，導致電極材料脫落，迴圈容量降低。
因此，開發高能量密度二次電池對資訊、交通、能源、國防等許多領域的發展有重要的戰略意義。
2.1奈米矽作鋰離子負極材料
用奈米si、碳黑、pvdf按重量百分比為40：40：20制得復合負極，其工作電壓比較平穩，第10周的可逆容量仍保持在1700mah／g，是碳材料的5倍，迴圈性遠遠優於普通矽，將充放電電流密度增大8倍後，迴圈性基本不受影響，表明了這種奈米復合電極優異的高倍率充放電效能。
作用機理：常溫下鋰離子的嵌脫會破壞矽的晶體結構，生成亞穩態的鋰和矽的化合物，導致電池迴圈效能下降。而奈米級的矽在脫嵌鋰過程中體積變化絕對值很小，能減緩材料的結構破壞。
但是奈米材料容易團聚，團聚後的顆粒有可能失去電接觸而失效。
2.2矽/石墨複合物負極材料
矽及含矽材料作為鋰離子電池負極材料具有很高的比容量，機械球磨法製備的石墨+奈米矽複合物被用作鋰離子電池負極材料，該複合材料體現了矽儲鋰量高及石墨迴圈效能良好、體積效應小的特點。最佳的矽/石墨質量比為 1：9 ，矽/石墨複合材料迴圈效能相對純矽電極有很大改善且具有高於石墨的可逆容量，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。
作用機理：①球磨過程使矽均勻地分散在有彈性且體積效應小的石墨基體中，從而在鋰插入和脫插時，電極的體積會發生連續的變化，這樣就會有效地防止矽電極由於機械破壞而引起的活性體失活。但是，當矽含量增加到40﹪時，石墨不能將矽很好的分散，部分矽發生了團聚。
由於球磨法得到的材料顆粒細小，比表面積大，從而有機電解液的不可逆還原反應引起的不可逆容量損失很大。
②在迴圈效能上複合物相對於純矽也有較大改善。這種改善主要應來自於複合物中石墨的作用。在複合物中，石墨首先作為易延展的惰性基質緩衝了活性成分的體積變化，防止了合金粒子的團聚；其次由於石墨具有良好的導電性，保證了矽與矽之間的電接觸，從而使整個電極不會產生較大的電阻，進而改善了迴圈效能。
2.3氧化矽負極材料
sio0.8 ，sio，sio1.1等幾種矽的氧化物均可作為鋰離子電池負極材料。
隨著氧化物中氧含量的增加，電池比容量降低，但是迴圈效能提高；氧化物顆粒減小到30 nm以下，在電池充放電過程中會產生團聚，迴圈效能降低。miyachi等採用蒸汽沉積法在銅箔上製備sio負極，並運用xps分析了電極在沉積後、充電後和放電後3個不同階段sio的化合價狀態。結果顯示，在充滿電的狀態下，約有60％矽形成矽酸鋰保持氧化態，其體積變化僅為矽/鋰合金的一半。
因此對電極的體積變化起到緩衝作用，提高了電極的迴圈效能。
作用機理：由於li 與氧生成不可逆相li2o，而li2o為惰性相，增加了材料的首次不可逆容量，但減緩了材料的體積變化，使迴圈效能得到提高。
2.4摻雜cu的si／c復合負極材料
cu對鋰呈惰性，摻雜cu後的si／c復合負極材料的容量沒有明顯變化，但是荷電保持能力由50％提高到90％，迴圈效能顯著提高。同時材料中部分si生成cu3si化合物，提高了活性物質的強度，增強了材料的導電性能。採用液相法製備的si-cu3si-cu/c合金負極材料，其首次迴圈效率為82％，容量達到680mah/g ，具有良好的迴圈效能，經過30次迴圈，容量衰降小於13％。
在合金材料中，cu3si並不參與與鋰離子的電化學反應，但是其良好的導電性顯著提高了材料的迴圈效能。
作用機理：由於cu的加入使得si在c中呈現不均勻分布，降低了由於si的體積效應產生的機械應力；同時，材料中部分si生成cu3si化合物，提高了活性物質的強度，增強了材料的導電性能。
三矽材料在鋰離子電池中的應用前景
目前隨著低碳經濟的發展，對高容量長壽命的鋰離子動力電池的需求比較強烈，開發出比石墨容量更高的負極材料是一種趨勢。但是，目前矽負極材料要實現產業化仍有一些問題要解決：從根本上提高矽材料的迴圈效能使其與石墨的充放電迴圈次數相當；開發新工藝降低成本，使其成本與石墨相比不會高很多。
若技術成熟，鋰離子電池矽負極材料市場前景將比較好，其主要應用是與磷酸鐵鋰、錳酸鋰等正極材料配合組成動力型鋰離子電池方面。
時代的發展使對更高能量的可攜式移動電源需求日益緊迫，矽基材料作為鋰離子電池負極材料具有很高的比容量，成為鋰離子電池負極材料的研究熱點。
將奈米矽與其他材料復合，可以得到更好的迴圈效能，因此，製備奈米級復合矽材料最有希望獲得高容量鋰離子電池的負極材料。
可以預見，為實現商品化應用，將繼續展開對矽基負極材料的研究！
參考文獻
[1] 苗建旺, 王超, 周春根. 矽材料[j]. 航空學報，2008.29（6）:1687-1691.
[2] 趙峰,楊艷麗. 鋰離子電池[j]. 熱處理，2009,24(4): 7-10.
[3] 張迎光，白雪峰，張洪林，劉寧生. 矽材料在鋰離子電池中的應用前景[j]. 中國科技資訊，2005（12）：83-84.
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