硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
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研究人员对硅碳复合材料进行了大量的研究并取得了显 著成果，本文主要按照碳材料的一般分类方法以及硅碳复合材
料的制备方法对其研究进展及现状进行论述与分析。
１ 硅碳复合材料
硅碳复合材料可有效避免电解液与硅的直接接触，减少由 硅表面悬键引起的电解液分解，还可提高材料的导电性。传统 碳材料有石墨 ［５－６］、无 定 形 碳 ［７］和 中 间 相 碳 微 球 等，新 型 碳 材 料包括石墨烯［８］、碳纳米管［９］和碳纳米线等。
近年来，由于 人 们 对 能 源 的 需 求 日 渐 增 加，使 得 化 石 能 源 快速枯竭且造成严重的环境污染，而新型清洁能源的开发和利 用能够有效缓解能源枯竭造成的种种困境，因此人们对新型能 源的研发也越发关注。锂离子电池则由于具有比能量高、工作 电压高和循环寿命长等优势而成为当今新能源开发领域的研 究热点［１］。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是以具有 稳定工作电压和良好循环性能的石墨类材料为主，但其理论容 量较低，这限制了 锂 离 子 电 池 的 长 远 发 展，因 此 研 发 高 容 量 负 极材料具有重要意义。硅由于具有理论容量高（４２００ｍＡｈ／ｇ）， 嵌锂电位低（０．５Ｖ）以及储量丰富等优势被认为是理想的锂离 子电池负极材料［２］。但是在脱 ／嵌锂过程中硅存在严重的体积 膨胀，这会导致 电 极 材 料 粉 化 并 从 集 流 体 上 脱 落 ［３］。 另 外，在 锂化过程中 ＳＥＩ膜会不断破碎重组，消耗大量活性 Ｌｉ＋，致使库 伦效率降低，电池容量衰减［４］。碳材料具有优异的导电性和机 械性能，且能够与 硅 很 好 地 兼 容，因 此 硅 碳 复 合 材 料 能 够 显 著 提高电极材料的储锂能力、导电性和循环稳定性。
１．１ 硅 ／石墨复合材料
石墨具有优异的机械性能和导电性，与硅复合后可有效提 高材料的导电性，同时缓解硅在嵌 ／脱锂过程中的体积效应，提 高材料的循环稳定性和储锂能力。
Ｊｅｏｎｇ等人通过水热碳化的方法制备出硬碳涂层纳米ห้องสมุดไป่ตู้ ／ 石墨（ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ）复 合 材 料［５］。ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ复 合 电 极 的 比 容 量高达 ８７８．６ｍＡｈ／ｇ，具有优异的电化学性能，良好的循环稳定 性和倍率性能。在这种具有分层结构的复合材料中（图 １），硬 碳涂层不仅提供电子转移的有效途径，还可缓解硅在锂化过程 中的体积变化。
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＳｉ／ＣＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｓＡｎｏｄｅＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＬｉｔｈｉｕｍ ＩｏｎＢａｔｔｅｒｉｅｓ
ＱｕＳｈｉｐｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）
１．３ 硅 ／石墨烯复合材料
石墨烯具有 优 良 的 机 械 强 度、柔 韧 性 以 及 高 的 电 子 迁 移
图 １ 互联 ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ复合材料的合成示意图
收稿日期：２０１９－０５－０８ 作者简介：瞿诗鹏（１９９３—），男，河南人，硕士学历，主要从事锂离子电池硅碳负极材料方面的研究。
·６８·
山 东 化 工 ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第 ４８卷
第 １５期
瞿诗鹏：硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
·６７·
硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
瞿诗鹏
（天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 ３００３８７）
摘要：硅碳复合材料具有高理论比容量和稳定的循环性能等优势，成为有望替代传统石墨负极的新型负极材料。近年来，人们对于硅碳 复合材料的研究已经取得巨大进展，不同的碳基质材料以及制备方法都会对其性能产生重要影响，因此本文主要从碳基质材料的种类 及其制备方法来讨论硅碳复合材料的研究现状。 关键词：硅碳复合材料；负极材料；碳基质材料 中图分类号：ＴＭ９１１．１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）１５－００６７－０３
１．２ 硅 ／无定形碳复合材料
无定形碳来源广 泛，且 其 可 逆 容 量 较 高，热 解 无 定 形 碳 层 可有效缓解硅的体积效应，提高复合材料的导电性。
Ｚｈｏｕ等通过化学还原和热处理法合成了硅 ／碳纳米球（Ｓｉ ＠ＣＮｓ）复合材料［７］。这种复合材料是由无定形碳层包覆着硅 颗粒，且硅颗粒和碳纳米球均匀分散在复合材料中。独特的碳 骨架可缩短离子扩散距离并增大比表面积，有效的增强了材料 的电子传输能力并缓解了硅的体积效应。复合材料在 ０．２Ａ／ｇ 的电流密度下，首次可逆比容量为 ８８９ｍＡｈ／ｇ，且循环 ５０圈后 仍保持 ６１１ｍＡｈ／ｇ的充电容量，这主要归因于材料良好的结构 稳定性和电子导电性。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｓｔａｂｌｅｃｙｃｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅａ ｎｅｗａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｇｒａｐｈｉｔｅａｎｏｄｅｓ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｉ＠Ｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｉｌｌｈａｖｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＳｉ＠Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆｒｏｍ ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌ
料的制备方法对其研究进展及现状进行论述与分析。
１ 硅碳复合材料
硅碳复合材料可有效避免电解液与硅的直接接触，减少由 硅表面悬键引起的电解液分解，还可提高材料的导电性。传统 碳材料有石墨 ［５－６］、无 定 形 碳 ［７］和 中 间 相 碳 微 球 等，新 型 碳 材 料包括石墨烯［８］、碳纳米管［９］和碳纳米线等。
近年来，由于 人 们 对 能 源 的 需 求 日 渐 增 加，使 得 化 石 能 源 快速枯竭且造成严重的环境污染，而新型清洁能源的开发和利 用能够有效缓解能源枯竭造成的种种困境，因此人们对新型能 源的研发也越发关注。锂离子电池则由于具有比能量高、工作 电压高和循环寿命长等优势而成为当今新能源开发领域的研 究热点［１］。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是以具有 稳定工作电压和良好循环性能的石墨类材料为主，但其理论容 量较低，这限制了 锂 离 子 电 池 的 长 远 发 展，因 此 研 发 高 容 量 负 极材料具有重要意义。硅由于具有理论容量高（４２００ｍＡｈ／ｇ）， 嵌锂电位低（０．５Ｖ）以及储量丰富等优势被认为是理想的锂离 子电池负极材料［２］。但是在脱 ／嵌锂过程中硅存在严重的体积 膨胀，这会导致 电 极 材 料 粉 化 并 从 集 流 体 上 脱 落 ［３］。 另 外，在 锂化过程中 ＳＥＩ膜会不断破碎重组，消耗大量活性 Ｌｉ＋，致使库 伦效率降低，电池容量衰减［４］。碳材料具有优异的导电性和机 械性能，且能够与 硅 很 好 地 兼 容，因 此 硅 碳 复 合 材 料 能 够 显 著 提高电极材料的储锂能力、导电性和循环稳定性。
１．１ 硅 ／石墨复合材料
石墨具有优异的机械性能和导电性，与硅复合后可有效提 高材料的导电性，同时缓解硅在嵌 ／脱锂过程中的体积效应，提 高材料的循环稳定性和储锂能力。
Ｊｅｏｎｇ等人通过水热碳化的方法制备出硬碳涂层纳米ห้องสมุดไป่ตู้ ／ 石墨（ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ）复 合 材 料［５］。ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ复 合 电 极 的 比 容 量高达 ８７８．６ｍＡｈ／ｇ，具有优异的电化学性能，良好的循环稳定 性和倍率性能。在这种具有分层结构的复合材料中（图 １），硬 碳涂层不仅提供电子转移的有效途径，还可缓解硅在锂化过程 中的体积变化。
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＳｉ／ＣＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｓＡｎｏｄｅＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＬｉｔｈｉｕｍ ＩｏｎＢａｔｔｅｒｉｅｓ
ＱｕＳｈｉｐｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）
１．３ 硅 ／石墨烯复合材料
石墨烯具有 优 良 的 机 械 强 度、柔 韧 性 以 及 高 的 电 子 迁 移
图 １ 互联 ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ复合材料的合成示意图
收稿日期：２０１９－０５－０８ 作者简介：瞿诗鹏（１９９３—），男，河南人，硕士学历，主要从事锂离子电池硅碳负极材料方面的研究。
·６８·
山 东 化 工 ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第 ４８卷
第 １５期
瞿诗鹏：硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
·６７·
硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
瞿诗鹏
（天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 ３００３８７）
摘要：硅碳复合材料具有高理论比容量和稳定的循环性能等优势，成为有望替代传统石墨负极的新型负极材料。近年来，人们对于硅碳 复合材料的研究已经取得巨大进展，不同的碳基质材料以及制备方法都会对其性能产生重要影响，因此本文主要从碳基质材料的种类 及其制备方法来讨论硅碳复合材料的研究现状。 关键词：硅碳复合材料；负极材料；碳基质材料 中图分类号：ＴＭ９１１．１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）１５－００６７－０３
１．２ 硅 ／无定形碳复合材料
无定形碳来源广 泛，且 其 可 逆 容 量 较 高，热 解 无 定 形 碳 层 可有效缓解硅的体积效应，提高复合材料的导电性。
Ｚｈｏｕ等通过化学还原和热处理法合成了硅 ／碳纳米球（Ｓｉ ＠ＣＮｓ）复合材料［７］。这种复合材料是由无定形碳层包覆着硅 颗粒，且硅颗粒和碳纳米球均匀分散在复合材料中。独特的碳 骨架可缩短离子扩散距离并增大比表面积，有效的增强了材料 的电子传输能力并缓解了硅的体积效应。复合材料在 ０．２Ａ／ｇ 的电流密度下，首次可逆比容量为 ８８９ｍＡｈ／ｇ，且循环 ５０圈后 仍保持 ６１１ｍＡｈ／ｇ的充电容量，这主要归因于材料良好的结构 稳定性和电子导电性。
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