硅負(fù)極因其極高的理論比容量（4200mAh/g，遠(yuǎn)超石墨負(fù)極的372mAh/g）和豐富的自然儲(chǔ)量，被視為下一代鋰離子電池最具前景的負(fù)極材料。然而，硅在充放電過(guò)程中存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)（膨脹率高達(dá)300%），導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破裂、固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜持續(xù)生長(zhǎng)，最終引發(fā)循環(huán)容量迅速衰減，極大地限制了其商業(yè)化應(yīng)用。

針對(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，近年來(lái)研究者從納米化、摻雜改性、復(fù)合材料及構(gòu)建緩沖層和表面修飾等角度出發(fā)，提出了多種改性策略，旨在提升硅負(fù)極的界面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，推動(dòng)其在高能量密度電池中的實(shí)際應(yīng)用。

• 納米化

硅材料的尺寸對(duì)鋰離子電池性能有一定程度的影響，目前常見(jiàn)的有納米硅顆粒、硅納米線、硅納米管等。納米級(jí)別的硅材料可以將體積膨脹帶來(lái)的內(nèi)部應(yīng)力降低，同時(shí)它具有高的比表面積可以提供更廣的電解質(zhì)與電極的接觸面積，縮短鋰離子的傳輸距離。

• 摻雜改性

硅材料是一種半導(dǎo)體材料，其電導(dǎo)率較低對(duì)其應(yīng)用起到了一定的阻礙作用，因此，摻雜元素是提高材料電導(dǎo)率的一種有效方法。目前研究人員采用較多的是硼、氮和磷等元素?fù)诫s。對(duì)硅材料進(jìn)行硼摻雜，可以在硅材料上形成p型半導(dǎo)體；而對(duì)硅材料進(jìn)行氮和磷摻雜，形成的則是n型半導(dǎo)體。無(wú)論是哪種類型，都在一定程度上改善了硅材料的電導(dǎo)率。

• 復(fù)合材料及構(gòu)建緩沖層

目前最常見(jiàn)的硅基復(fù)合材料是硅材料與碳材料形成的硅碳復(fù)合材料。在硅基材料表面包覆一層碳層，碳層可以提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率；可緩解硅在電化學(xué)反應(yīng)中由于膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力；能在電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候隔絕硅材料直接與電解液的接觸。碳包覆層一般都是無(wú)定形碳，分為軟碳和硬碳。軟碳碳源一般為瀝青，而硬碳主要是樹(shù)脂和葡萄糖等有機(jī)物碳源。同時(shí)，在構(gòu)建碳包覆層的時(shí)候還可以對(duì)這種核殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)成一種中空的結(jié)構(gòu)層，在硅與碳層中間有一個(gè)空隙，用以緩解硅在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的膨脹帶來(lái)的體積變化。此外，復(fù)合材料常見(jiàn)的還有硅/石墨，這也是工業(yè)上硅基復(fù)合材料比較成熟的工藝之一。

• 表面修飾

在硅材料表面進(jìn)行改性也是目前對(duì)硅基材料研究的一個(gè)方向，研究人員對(duì)硅表面進(jìn)行改性處理，形成一些官能團(tuán)如羥基（-OH）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和一些烷基及環(huán)氧基團(tuán)等，這些基團(tuán)可以與粘結(jié)劑之間直接成鍵或者形成氫鍵，使得材料可以更好的抵抗體積膨脹。除了上述官能團(tuán)及碳包覆的方法之外，還可以采用一些有機(jī)物對(duì)硅顆粒進(jìn)行改性，同樣起到隔絕硅材料直接與電解液的接觸，同時(shí)還可在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中有利于SEI膜的形成并且使得形成的SEI膜穩(wěn)定。

針對(duì)各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)狀況，中國(guó)粉體網(wǎng)將于2025年6月24-25日在安徽·合肥舉辦第二屆硅基負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負(fù)極材料前沿技術(shù)論壇。大會(huì)旨在為負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺(tái)，開(kāi)展產(chǎn)、學(xué)、研合作，助推負(fù)極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時(shí)，來(lái)自蘇州大學(xué)的王艷副教授將作題為《高性能硅基負(fù)極關(guān)鍵材料及其在鋰離子電池中的應(yīng)用》的報(bào)告。

本次報(bào)告將聚焦導(dǎo)致硅負(fù)極循環(huán)容量迅速衰減的“體積效應(yīng)”這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，探討從表面修飾、粘結(jié)劑設(shè)計(jì)、體相摻雜三個(gè)維度出發(fā)，對(duì)硅負(fù)極進(jìn)行改性的研究策略。通過(guò)針對(duì)性改性措施，旨在緩解硅負(fù)極在充放電過(guò)程中的體積變化，提升其界面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而改善硅基鋰離子電池的循環(huán)性能，為其商業(yè)化應(yīng)用提供理論支持與技術(shù)參考。

專家簡(jiǎn)介：

王艷，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。2018年6月博士畢業(yè)于蘇州大學(xué)能源學(xué)院，導(dǎo)師鄭洪河教授。同年8月入選蘇州大學(xué)優(yōu)秀青年學(xué)者人才計(jì)劃留校工作。主要從事鋰離子電池關(guān)鍵材料與技術(shù)研究，包括高性能硅基負(fù)極關(guān)鍵材料研究與應(yīng)用、有機(jī)/石墨復(fù)合負(fù)極的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、功能分子的電荷存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移機(jī)制研究。以一作/通訊在高水平期刊發(fā)表SCI論文46篇，其中一區(qū)36篇，IF>10的論文28篇，H-Index 31。獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利11項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、江蘇省優(yōu)青項(xiàng)目和青年項(xiàng)目共計(jì)4項(xiàng)。

參考來(lái)源：

鐘波《硅基負(fù)極材料的表面改性及其在鋰離子電池中的應(yīng)用》

ICM

工業(yè)化學(xué)與材料《東華大學(xué)楊建平教授團(tuán)隊(duì)：鋰離子電池硅基負(fù)極材料研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)》

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