锂电池硅碳负极材料现状怎么样？

锂电池使用Si材料做负极，理论上具有超高的理论比容量3590mAh/g和较高的工作电压，被认为是最有希望替代商业用石墨的负极之一，且资源丰富，环境友好 。然而，目前锂电池使用Si负极的实际应用受到多重阻碍。主要原因是Si在完全脱锂后体积变化较大，在反复的嵌锂/脱锂过程中产生膨胀/收缩应力，导致Si材料发生严重断裂。这导致Si表面形成不稳定的固体电解质界面膜，不断消耗电解质，从而导致快速的不可逆容量损失和较低的初始库仑效率。此外，Si固有的低电导率和低锂离子扩散系数，也显著影响Si电极的倍率性能和库伦效率。这些问题必须在硅电极的实际应用之前得到解决。

在过去，人们致力于提高硅基负极材料的电化学性能。通常是将硅的颗粒尺寸减小到纳米级或者具有非晶结构特征时，这样可以释放由于体积变化过大而引起的结构应力。然而，纳米硅颗粒具有较大的表面能，容易发生团聚从而导致容量的衰减，从而抵消了纳米颗粒的优势。除此之外，仅通过Si纳米化对导电性差的问题也无明显改善。因此，将Si与其他材料通过合适的制备方法进行复合得到硅基复合材料，利用其他材料的物理特性来改善单质硅的电化学性能。

其中，较为理想的方法是将纳米硅颗粒与结构稳定且导电性能优异的基体材料复合，在充分发挥硅材料高容量的同时，用基体材料缓解硅的体积膨胀效应并提供电子和锂离子的传输通道。硅基复合材料是高容量锂离子电池负极材料的重要发展方向，目前大量的研究工作集中在硅/金属复合材料，硅/碳复合材料以及二者的有效结合上。

目前，无论惰性金属还是活性金属作为基体材料与硅复合，对锂电池整体电极的循环稳定性提升的效果均不明显，且大部分金属的价格较高。碳类材料具有优异的柔韧性、导电性、机械强度和循环稳定性，且来源丰富、成本低。大量研究工作表明，石墨、碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯等碳材料，均可以通过不同制备方法与硅复合，有效地缓解硅的体积膨胀效应，并提高锂离子和电子导通性，有效改善其电化学性能。因此，硅/碳复合材料一直是硅基复合材料的主要研究方向，也是目前锂电池研究发展的方向之一。