前沿：硅碳负极材料最新研究进展

硅基材料作为锂离子电池负极具有容量高、来源广泛以及环境友好等优势，有望替代目前应用广泛的石墨负极成为下一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料选择、结构设计以及电极优化方面简要介绍了硅/碳复合材料的最新研究进展，并对未来发展方向进行了展望。

随着时代的需求飞速发展，锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的速率提升。2016年，我国发布了动力电池能量密度硬性指标，根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350W˙h/kg。

为满足新一代能源需求，开发新型锂电负极技术迫在眉睫。

硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mA˙h/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mA˙h/g)，在地壳元素中储量丰富(26.4%，第2位)，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

然而，硅在充放电过程中存在严重的体积膨胀(~300%)，巨大的体积效应及较低的电导率限制了硅负极技术的商业化应用。为克服这些缺陷，研究者进行了大量的尝试，采用复合化技术，利用“缓冲骨架”补偿材料膨胀。

碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。

在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。

近年来，硅碳负极材料相关技术发展迅速，迄今已有少量产品实现实用化，日本日立集团Maxell公司已开发出一种以“SiO-C”材料为负极的新式锂电池，并成功地应用到诸如智能手机等商业化产品中。然而，硅碳负极锂离子电池距离真正大规模商业化应用仍有大量科学问题亟需解决。

本文从材料选择、结构设计以及电极优化等方面综述了硅/碳复合材料近年来的研究进展，并对硅碳材料的发展趋势作了初步展望，以期为进一步研究高性能锂离子电池负极用硅碳复合材料提供借鉴。

硅碳复合材料结构设计

从硅碳复合材料的结构出发，可将目前研究的硅碳复合材料分为包覆结构和嵌入结构。

1.1包覆结构

包覆结构是在活性物质硅表面包覆碳层，缓解硅的体积效应，增强其导电性。根据包覆结构和硅颗粒形貌，包覆结构可分为核壳型、蛋黄-壳型以及多孔型。

1.1.1核壳型

核壳型硅/碳复合材料是以硅颗粒为核，在核外表面均匀包覆一层碳层。碳层的存在不仅有利于增加硅的电导率，缓冲硅在脱嵌锂过程中的部分体积效应，还可以最大限度降低硅表面与电解液的直接接触，进而缓解电解液分解，使整个电极的循环性能得到提高。

Zhang等采用乳液聚合法在硅纳米颗粒表面包覆聚丙烯腈(PAN)，经800℃热处理得到硅碳核壳结构复合材料(Si@C)。无定形碳层抑制了充放电过程中硅颗粒的团聚，Si@C在循环20次后容量维持在初始容量的50%左右。相比之下，硅纳米颗粒在循环20次后容量衰减严重。

Hwa等以聚乙烯醇(PVA)为碳源，采用惰性气氛下高温热解法对硅纳米颗粒进行碳包覆，得到碳壳层厚度为5~10nm厚的硅碳复合材料。采用硅纳米颗粒可以降低硅的绝对体积效应，减弱材料内部应力，碳包覆则进一步缓冲了硅内核的膨胀，该复合材料在100mA/g电流下循环50次后比容量仍可达1800mA˙h/g，展现出优异的循环稳定性，而纯纳米Si和碳包覆微米硅(4μm)容量则衰减至不足200mA˙h/g。

Xu等通过高温热解聚偏氟乙烯(PVDF)得到核壳型硅碳复合材料，其碳层厚度为20~30nm；该硅碳复合材料电极在0.02~1.5V电压范围内，50mA/g电流条件下的首次可逆比容量为1328.8mA˙h/g，循环30次后容量保持在1290mA˙h/g，容量保持率达97%。核壳型硅/碳复合材料中，不同热解碳源材料的选择对复合体系中硅-碳嵌锂基质界面的影响也不尽相同。

Liu等对比分析了以聚环氧乙烯(PEO)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、氯化聚乙烯(CPE)和PVDF为热解碳源的硅基核壳型负极材料，发现：由于含氟材料对硅的刻蚀作用，部分F可嵌入到Si—Si键中，有效地强化了热解碳与硅内核的界面兼容性，相应的Si-PVDF基活性材料也展现出更为优异的循环稳定。

因此，当碳源有机前驱物中含有F或Cl元素时，有利于获得更稳定的硅碳界面，使材料的电化学性能更为优异。

总之，通过对硅材料进行碳包覆，构建核壳结构，有助于改善材料的循环稳定性。然而，当硅碳核壳结构中的热解碳无空隙地包覆在硅颗粒表面时，由于硅核锂化过程的体积效应太大，会导致整个核壳颗粒膨胀，甚至导致表面碳层发生破裂，复合材料结构坍塌，循环稳定性迅速下降。为解决这一问题，研究者从强化壳层机械性能方面入手，设计出了双壳层结构。

Tao等通过在硅纳米颗粒表面包覆SiO2和热解碳，制备出具有双壳层结构的复合材料(Si@SiO2@C)，见图1。与单壳层Si@C相比，Si@SiO2@C具有更高的容量保持率，在0.01~5V电压范围内循环100次后仍具有785mA˙h/g的可逆容量。

研究表明，中间层SiO2作为缓冲相，可进一步减小循环过程产生的膨胀应力；同时，SiO2层还可与扩散的Li+发生不可逆反应，生成Si和Li4SiO4合金，进一步保证了材料的可逆容量。

1.1.2蛋黄-壳型

蛋黄-壳结构是在核壳结构基础上，通过一定技术手段，在内核与外壳间引入空隙部分，进而形成的一种新型纳米多相复合材料。蛋黄-壳型硅/碳复合材料呈现一种特殊的Si@void@C壳层的构型，不仅具有普通核壳结构的优势，而且它的空腔对于硅体积膨胀有容纳作用，可实现硅核更加自由的膨胀收缩，从而保证材料在充放电过程中整体结构的稳定性，有利于产生稳定的固态电解质(SEI)膜。

Zhou等采用溶胶-凝胶法在硅纳米颗粒表面包覆一层SiO2壳层，以蔗糖为碳源进行热解碳包覆，将SiO2用HF刻蚀后得到蛋黄-壳结构复合材料(Si@void@C)，其中活性物质硅的质量分数为28.54%。相比于硅纳米颗粒和空心碳，Si@void@C具有更好的循环稳定性，首次比容量为813.9mA˙h/g，循环40次后容量保持在500mA˙h/g。

Tao等采用相似的方法也制备出稳定的Si@void@C复合材料，循环100次后的比容量为780mA˙h/g。碳负载量的优化发现，复合材料中碳负载量为63%时的比容量(780mA˙h/g)高于碳负载量为72%时的比容量(690mA˙h/g)。这表明要实现Si@void@C复合材料的最大容量，还需要对蛋黄-壳结构进行深入的优化设计。

Liu等以聚多巴胺为碳源合成出蛋黄-壳复合材料(Si@void@C)。在该结构中，硅内核和薄碳层之间预留了充足的空间，使硅在锂化膨胀时不破坏碳壳层，从而使复合材料表面能形成稳定的SEI膜。

这种Si@void@C在0.1C电流密度下，可逆容量高达2800mA˙h/g，循环1000次后有74%的容量保持率以及99.84%的Coulomb效率。

近来，研究者将多壳层概念引入到硅碳蛋黄-壳结构设计中，以增强碳层的机械性能，提高材料抵抗硅体积膨胀应力的能力。

Sun等通过囊泡模板法制备出Si@void@SiO2材料，并在多孔SiO2壳层内外侧涂覆多糖，于惰性气氛下高温热解得到Si@void@C@SiO2@C，经HF刻蚀除去SiO2后，得到具有双壳层结构(Si@void@C@void@C)的蛋黄-壳型复合材料(Si@DC)，见图2。

双碳层的引入使材料具有更为优异的导电性能。在50mA/g电流密度下，Si@DC在循环80次后的放电比容量保持943.8mA˙h/g，而硅/单壳层(Si@SC)和纯硅颗粒在循环80次后容量则分别降低至719.8和115.3mA˙h/g。

Yang等采用Stöber法和热解法在硅纳米颗粒表依次包覆SiO2层和碳层，经HF选择性刻蚀，得到双壳层结构复合材料(Si@void@SiO2@void@C)。

该材料展现出优异的循环稳定性，在460mA/g电流密度下循环430次后，容量保持在956mA˙h/g，容量保持率高达83%，而Si@C核壳材料在相同测试条件下，前10次循环容量衰减明显，循环430次后容量不足200mA˙h/g。

在此复合结构中，碳层能够提高导电性，SiO2层增加了材料稳定性，空腔为硅内核的膨胀提供了缓冲空间。同时，SiO2和碳双壳层阻隔了电解液和硅纳米颗粒，防止硅纳米颗粒与电解质发生不可逆反应，起到了了双层保障作用。

1.1.3多孔型

多孔硅常用模板法来制备，硅内部空隙可以为锂硅合金化过程中的体积膨胀预留缓冲空间，缓解材料内部机械应力。由多孔硅形成的硅碳复合材料，在循环过程中具有更加稳定的结构。

研究表明，在多孔型硅/碳复合材料中，均匀分布在硅颗粒周围的孔道结构能够提供快速的离子传输通道，且较大的比表面积增加了材料反应活性，从而展现出优良的倍率性能，在电池快充性能方面具有显著优势。

Li等通过可控还原二氧化硅气凝胶的方法，合成出3D连通的多孔硅碳复合材料，该材料在200mA/g电流密度下循环200次时容量保持在1552mA˙h/g，且在2000mA/g大电流充放电下循环50次后仍保持1057mA˙h/g的比容量。

Bang等通过电偶置换反应，将Ag颗粒沉积于硅粉(粒径10μm)表面，经刻蚀除去Ag后得到具有3D孔结构的块状硅，再通过乙炔热解进行碳包覆，制备出多孔型硅碳复合材料，在0.1C倍率下具有2390mA˙h/g的初始容量以及94.4%的首次Coulomb效率；在5C倍率时的容量仍可达到0.1C倍率时容量的92%，展现出优异的倍率性能。此外，该电极循环50次后厚度从18μm变为25μm，体积膨胀仅为39%；同时，该材料的体积比容量接近2830mA˙h/cm3，是商业化石墨电极的5倍(600mA˙h/cm3)。

Yi等将微米级SiO2粉末在950℃高温处理5h，得Si/SiO2混合物，HF酸刻蚀除去SiO2后，得到由粒径为10nm的硅一次粒子堆积组成的多孔硅。然后，以乙炔为碳源，在620℃热解20min，对多孔硅进行碳包覆，制得多孔硅碳复合材料。该材料在1A/g电流密度下循环200次后容量保持在1459mA˙h/g，远高于纯硅；在12.8A/g高电流密度下的比容量仍可达到700mA˙h/g，表现出优异的倍率性能。此外，该材料振实密度大(0.78g/cm3)，体积比容量高，在400mA/g电流密度下充放电循环50次，容量保持在1326mA˙h/cm3。

进一步研究发现，通过调节反应温度对硅一次粒子粒径进行优化，其中一次粒子为15nm时多孔硅碳复合材料性能最优，在400mA/g电流密度下循环100次后容量可达1800mA˙h/cm3，远高于一次粒子粒径为30nm和80nm的复合材料。这主要是由于硅一次粒子粒径越小，脱嵌锂时体积变化越小，因而能够形成更为稳定的SEI膜。

另外，对碳化温度和时间进一步优化发现，碳化温度800℃、碳负载质量分数20%时的多孔硅/碳复合材料性能最佳，在1.2A/g电流密度下循环600次后的容量保持在1200mA˙h/g，几乎无容量损失，且Coulomb效率高达99.5%。

该多孔硅碳复合材料合成工艺成本低，易于规模化生产。