鋰離子電池負極材料PK：石墨vs硅材料

    鋰電世界  石墨材料是鋰離子電池界的元老，具有眾多優良的素質，但是隨著近年來一批高性能的負極材料異軍突起，威脅到了石墨材料的地位，演繹了一場相愛相殺的大戲。硅負極材料作為新材料中的杰出代表，與石墨真的是愛恨情仇理不清。

    硅負極材料理論比容量達到4200mAh/g以上，遠高于石墨類負極（372mAh/g），是下一代鋰離子電池負極材料的有力競爭者。但是硅負極存在天然的缺陷，鋰嵌入到Si的晶胞內，會導致Si材料發生嚴重的膨脹，體積膨脹達到300%，造成正極材料膨脹、粉化，造成容量迅速下降，為了克服硅負極的這些缺點，科學家將兩種材料結合在一起，利用石墨克服硅負極的缺點。雖然硅最初是要取代石墨負極，但是最后兩種材料卻走到了一起，你中有我，我中有你。硅碳復合根據硅的分布方式主要分為包覆型、嵌入型和分子接觸型，而根據形態則分為顆粒型和薄膜型，根據硅碳種類的多少分為硅碳二元復合與硅碳多元復合。

    硅碳復合材料的制備方法有多種，例如高能球磨法（既機械活化法，其主要原理是利用機械能誘發化學反應或者誘導材料組織、結構和性能的變化）、化學氣相沉淀法（既CVD法）、濺射沉積法（這是制備膜材料的主要方法，利用氣體放電產生的離子，在電場的作用下，高速轟擊靶材，使得靶材中原子逸出，沉積到基體上形成薄膜），蒸鍍法（將材料加熱蒸發，使得材料氣化/升華，并沉積在基體上形成薄膜），高溫裂解法等.

    目前應用的主要方法為高溫裂解法，這種方法，相較于其他方法，工藝相對簡單，具有很好的應用前景。常用的方法為將納米硅顆粒分散在有機溶劑中，并加入相應的有機物，干燥后在高溫下發生反應裂解反應，生成Si碳復合材料。例如Pengfei.G等將納米Si，六氯環三膦腈（HCCP）和4，4’-二羥基二苯砜（BSP）加入到四氫呋喃和乙醇的混合溶液之中，然后加入三乙胺（TEA）分散清洗干燥后，高溫裂解得到Si-C復合材料，其比容量超過1200mAh/g以上，循環40次容量保持率達到95.6%。高能球磨也是目前的研究熱點，利用高速球磨產生的機械能，促進體系的化學反應，用較低的成本獲得目標產物。例如，Chil.Hoon等利用高能球磨法，首先將鐵粉、銅粉和納米硅顆粒混合在一起，然后將石墨加入其中在此球磨，得到Fe-Cu/Si/C多元復合材料。氣相沉積法是實驗室中常用的方法，Pengfei.G等利用氣相沉積法在納米Si顆粒的表面沉積了多壁碳納米管（MWNT），碳納米管形成了良好的導電網絡，復合材料的容量和循環性能都表現很好，首次充電比容量可以達到1592mAh/g以上，循環20次后，比容量仍然能夠達到1400mAh/g。

    目前制備Si-C復合材料的方法很多，一些方法（濺射沉積法等）制備的薄膜型的Si電極具有十分良好的循環性能，但是這些方法目前來看，生產成本過高，無法大規模生產，這都限制了其在生產中的應用。目前較為實用的方法為高溫裂解法和高能球磨法兩種，通過優化工藝可以獲得性能較好的產品。