硅碳负极研究发展现状

（姜玉珍山东青岛青岛华世洁环保科技有限公司）

锂离子电池以能量密度高、循环寿命长和对环境友好等优点正在逐步取代镍氢电池，成为最有前途的储能装置。特别在最近几年，随着新能源汽车、便携式电子产品的高速发展，锂离子电池得到了更广泛的关注和更为深入的研究。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。未来的锂离子电池负极材料必须向高容量方向发展，才能解决现有电池能量密度低的问题。硅材料是一种具有超高比容量(理论容量4200 mAh/g)的负极材料，是传统碳系材料容量的十余倍，且放电平台与之相当，因此被视作下一代锂离子电池负极材料的首选。

然而，纯硅在充放电过程中会发生巨大的体积变化(体积膨胀率300%)，导致其粉化，进而影响到电池的安全性。另一方面，纯硅的电子导电率较低，很难提升锂离子电池的大电流充放电能力。针对上述两方面问题，国内外学者展开了大量的研发工作，本文就硅碳负极的研究发展现状进行综述。

1、硅碳负极目前存在的主要问题

在锂离子电池首次充电过程中，锂离子嵌入硅碳负极造成硅的体积膨胀，放电时，随着锂离子的脱出，硅碳负极体积收缩，硅的这种体积上的变化会产生大量的不可逆容量损失。造成首次放电效率低。随着充放电循环次数的增加，硅的体积膨胀会使得初次形成的SEI膜不断遭到破坏，同时体积膨胀会露出新鲜的负极表面，新鲜表面又会与电解液、锂离子反应再次形成SEI膜，如此循环往复，锂离子电池的容量不断降低，循环衰减严重，导致寿命降低。此外，纳米级的硅粉价格较高，硅碳负极成本问题也是制约其发展的又一因素。针对首次效率低、循环容量衰减严重的问题，专家学者们通过复合改性、纳米化等各种方式进行研究。

2、硅碳负极制备方法

、静电纺丝

吉林师范大学的曲超群等人通过静电纺丝制备出了硅碳负极粉料。其过程为：将PVP溶于乙醇制备L的溶液，按照Si:PVP=1:5加入硅粉，磁力搅拌、超声分散均匀，以静电纺丝方式制备前驱体，所得纺丝前驱体在马弗炉中以5 ℃/min的速率升温至230℃预氧化30 min，然后置于通有氩气保护的管式炉中650℃烧结7 h随炉冷却后即得Si/C复合材料。材料首次放电容量为g，库伦效率%，第20次循环时材料的放电容量仍能够维持在 mAh/g。

图1、Si/C 复合负极材料在倍率下的充放电曲线但是，该材料的倍率特性较差，将放电倍率提高到到，材料的放电容量为 mAh/g。再次变换充放电倍率至时，材料的放电容量仅为mAh/g。

、高温裂解沥青

西安建筑科技大学的栾振星等人通过高温裂解沥青的方式制备出了硅/碳/碳纳米管复合材料。该方法是将碳纳米管浸入H

2

SO

4

/HNO

3

溶液中震荡搅拌12H，空气中高温处理4H，将纳米硅、碳纳米管放入甲苯超声分散，然后将其按比例倒入溶于甲苯的沥青溶液中，搅拌均匀后真空

干燥12H，氩气下900℃保温2H，将烧结产物进行球磨制备出负极粉末。相比于硅碳复合材料，硅/碳/碳纳米管复合材料首次充放电容量更高，首次放电容量达1077mAh/g，首次库伦效率74%，20周循环后可逆比容量达到703mAh/g。

图2、复合材料的首次充放电曲线

图3、硅/碳/碳纳米管复合材料循环曲线

、高温热解法

东南大学的徐庆艳等人以分析纯葡萄糖、炭黑、无定形硅为原料，采用水热法和高温热解法制备出了硅碳复合材料。其制备方法为：将无定形硅与葡萄糖溶于去离子水中机械搅拌制备混合液，电热恒湿干燥箱内将其进行180℃、15H水热反应，氮气下650℃保温6H得到硅碳复合材料。该材料的首次放电容量达1400mAh/g，循环20周后，可逆比容量为600mAh/g。

图4、硅碳复合材料的循环性能

可以看到，该复合材料的循环容量衰减还是比较大。

、其他制备方法

中科院上海硅酸盐研究所以一氧化硅、蔗糖为原料，将其进行球磨、高温烧结，采用碳热原位还原法制备纳米硅/碳复合材料。20%Si/80%C首次放电比容量为g，首次库伦效率低于70%。

西华师范大学以纳米硅，天然石墨和蔗糖为前驱体，通过高能球磨和高温裂解制备了一种壳核结构的碳硅复合材料。该材料的首次放电容量为885mAh/g，库伦效率%。

3、展望

通过纳米成膜、包覆改性、喷雾干燥等方法来改变硅碳负极材料的导电性，获得高能量密度、循环性能好，倍率性能优、安全性能高的电极材料依然是今后研究的重点。