硅是目前人類至今為止發現的比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負極材料,是一種最有潛力的負極材料，但硅作為鋰電池負極應用也有一些瓶頸，第一個問題是硅在反應中會出現體積膨脹的問題。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生力學上的問題，通過一系列的基礎研究證明，它會裂開，形成嚴重的脫落。

硅體積膨脹會導致一系列結果

1. 顆粒粉化，循環性能差

2. 活性物質與導電劑粘結劑接觸差

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揮。

從長期的基礎研究來看，①通過硅粉納米化；②硅碳包覆；等技術手段可以有效解決硅在鋰電池負極應用中遇到的問題。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：標準偏差小于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，產生厚的SEI膜的消耗。微觀結構的設計也很重要，要來維持在循環過程中電子的接觸，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，避免負極材料在嵌脫鋰過程因巨大的體積變化和應力而粉化。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，保持穩定的界面和SEI

（4）硅材料貢獻高比容量，碳材料貢獻高導電性

三．硅碳負極具有非常廣闊的市場空間

負極材料技術相對比較成熟，且其集中度較高，產能由日本向中國轉移比較明顯。目前負極材料以碳素材料為主，占鋰電池成本較低，在國內基本全面實現產業化。從區域看，中國和日本是全球主要的產銷國，動力電池企業采購負極主要來自于日本企業。

2012-2016年中國負極材料產量情況（萬噸）

2015 年，全球負極材料總體出貨量為11.08 萬噸，同比增長29.59%。其中中國負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，隨著中國生產技術的不斷提高，中國又是負極材料原料的主要產地，鋰電負極產業不斷向中國轉移，市場占有率不斷提高。硅碳負極材料是未來鋰電池負極材料最具應用潛力的，可見硅碳負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和研究單位布局硅碳負極材料。

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用及前景

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

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

5.化學進展，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).