当前，新能源汽车产业飞速发展，开发高能量密度的锂离子电池以提高续航能力成为重点需求，目前产业界力推的主流解决方案是正极采用高镍三元材料，搭配高比容量硅碳负极材料。然而，硅负极材料应用仍存在一些问题：其锂化时，体积变化可达310%，产生的应力将使材料断裂粉化，无法形成稳定的SEI膜，导致材料性能衰退，这些都是硅负极材料推广应用需要解决的难点。

为了解决上述问题，常用的方法是硅的纳米化并与碳材料进行复合，通过复合材料结构设计来抑制体积膨胀等问题。纳米硅可缓解机械应变，有效地适应体积变化，避免材料破裂，提高循环性能；此外，纳米结构可缩短Li⁺扩散距离，提高Li⁺扩散速率等。考虑到硅体积变化及导电性较差，就需要一种兼具机械性能和导电性能的材料与之复合。在众多符合条件的材料中，与碳材料复合目前最具产业化前景。

硅碳负极材料颗粒结构设计

硅碳复合材料结构设计目前可分为4类：核壳结构、蛋黄壳结构、夹层结构和三维结构。

1.核壳结构

核壳结构是指硅核外包覆或封装一个导电碳壳的结构。利用碳材料力学性能和导电性能，提高材料的导电性能和机械支撑，以适应显著的体积变化，并使硅核与电解质分离，减少副反应，提高首效等。

例如制备一种多孔硅碳纳米复合球，其多孔结构可缓解体积变化引起的应力增加，内部填充的石墨和碳壳构成导电网络，可提高材料的导电性能。但这种结构也可能出现首效较低的缺陷，原因可能是其多孔结构导致电解液与硅的接触增加，且硅含量较高导致其体积膨胀问题仍相对严重，从而影响到材料的整体性能。

由此可以看出，核壳结构虽能解决部分问题，但由于锂化过程中材料的体积膨胀不可避免，在其产生的应力反复作用下，碳壳可能破裂，并破坏电极结构，导致材料性能迅速衰退。因此，需要在核壳结构的基础上进一步优化。

核壳结构硅碳材料

2.蛋黄壳结构

蛋黄壳结构是指在核壳结构的基础上，在硅核与碳壳之间引入空隙，形成具有类似蛋黄壳结构的硅碳纳米复合材料。

在硅核外包裹一层碳壳，能提供较好的导电性能和较稳定的粒子接触界面。结构内部的空隙为硅核的膨胀提供缓冲空间，使硅核在不发生机械粉化的情况下膨胀和收缩，有效减少SEI膜的破裂，并可形成较稳定的SEI膜。

不过虽然蛋黄壳结构利用空腔缓解了体积变化所带来的一些问题，但这类材料仍存在导电性较差和首效较低等问题。此外，这类方法工艺复杂，材料加工强度不足，生产成本高昂，很难满足产业化需求。

蛋黄壳结构硅碳材料

3.夹层结构

夹层结构是指层状或片状碳材料对纳米硅颗粒进行包覆，形成一种具有夹层结构的复合材料。这类材料通过其夹层结构可减小纳米硅体积变化带来的影响，提高材料结构稳定性及电化学性能。

例如采用石墨烯制备一种多孔夹层石墨烯/纳米硅复合材料，硅纳米颗粒被紧密地夹在相邻的两片石墨烯薄片之间，这种结构提供了良好的导电性能，并抑制纳米硅的团聚。同时，硅颗粒间的空隙可为体积变化提供一定的空间，石墨烯片则为材料提供了一个稳定的骨架。

不过虽然夹层结构通过其层与层之间的作用力形成对纳米硅颗粒的束缚，缓解硅体积变化所带来的影响，但其在循环过程中存在硅与夹层相互剥离、纳米硅团聚及电解液侵蚀等问题，并且这类结构常使用石墨烯、碳纳米管等昂贵材料，如想实现产业化，如何降低成本将是关键。

石墨烯夹层结构硅碳负极

4.三维结构

单靠简单的核壳结构、蛋黄壳结构或是夹层结构难以彻底解决硅基材料所存在的问题。因此，结合多种简单结构形成的三维结构走进研究者的视野。

例如制备一种核心由多孔碳骨架和纳米硅颗粒组成、并封装在碳壳中的多层级微球结构复合材料，该材料的多孔碳骨架为硅颗粒体积变化提供空间，并提高导电性能。碳壳能稳定结构，利于形成稳定的SEI膜。

还有方法是制备一种结构类似于西瓜的硅碳复合材料，通过碳材料之间的连接构建起良好的导电骨架，同时，溶剂蒸发形成的孔隙为硅体积变化提供了空间，该结构在循环过程中保持了硅碳微球的结构稳定性。此外，内外两层碳壳阻隔了纳米硅与电解液的接触，抑制了副反应的发生，有利于形成稳定的SEI膜。

三维结构的硅碳材料

显然，三维结构利用多层碳材料的包覆，较好地解决了导电性能差和体积变化的问题，但这类结构工艺复杂、成本较高制约了其产业化进程。

总结

目前，将硅碳负极应用于动力电池等高能量密度和高功率密度器件之时，仍存在众多的技术和工程化问题，例如：各种具备丰富孔隙结构材料的振实密度通常较低，从而导致电池的体积容量低、能量密度受限；从动力电池实际应用出发，硅碳材料的设计在满足能量密度需求后需充分考虑体积比容量，并进一步提高倍率性能，以满足电池在快速充电方面的需求；此外，控制成本将是今后产业化的关键，只有当成本能与商用石墨相竞争时，才可能实现对现有石墨负极材料的大规模替换。因此，开发更简单、更可靠、成本更低的制备方法将是关键。

参考来源：

1. 锂离子电池硅碳负极材料的结构设计研究进展，杨乐之、殷敖、刘志宽、庄子龙、覃事彪、涂飞跃、汤刚（矿冶工程）；

2. 石墨烯层间嵌入碳涂层硅纳米颗粒做为高能量密度锂离子电池的负极材料（中国化学与物理电源行业协会）；

3. 锂离子电池硅基负极材料研究进展（旺财锂电）；

4. 动力电池用硅材料负极进展（网络文章）。

粉体圈 小吉

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。