电池界
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目前商业化锂离子电池负极材料主要为石墨类碳负极材料，其理论比容量仅为372mAh/g，严重限制了锂离子电池的进一步发展。硅基材料是在研负极材料中理论比容量最高的研究体系，理论比容量高达为4200mAh/g，因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度，被认为是碳负极材料的替代性产品。然而，硅负极由于其在嵌脱锂循环过程中具有严重的体积膨胀和收缩，造成材料结构的破坏和机械粉碎，从而导致电极表现出较差的循环性能。 目前对硅基负极材料的理论研究，主要是基于密度泛函理论的模拟研究。硅的晶格结构属于立方晶系，空间群类型为Fd-3ms，晶格结构示意图如图1所示，其中晶格常数a=b=c=0.543071nm，棱边夹角为90°。在充电过程中，来自正极材料的锂离子在电解液的作用下嵌入主体材料的间隙位置，其反应方程如方程所示：Si+xLi=LixSi 影响硅负极材料商业化最大的障碍是硅在充放电过程中较大的体积效应导致的材料粉化失效。实验表明，引入第二组元形成体系能有效降低硅的体积膨胀系数，利用活性元素或者非活性元素本身的一些特性，如金属延展性、成键特性等，缓解硅在嵌脱锂过程中产生的体积效应。 将硅粉放在铜基体表面，在真空下加热至2000℃，形成以Cu为基体，自下而上从富铜态逐渐过渡到富Si态的Si-Cu合金薄膜负极材料。半电池测试显示，100周循环后，薄膜样品的质量比容量为1250mAh/g，面积比容量为1956mAh/cm3。但是过量的Cu导致部分晶态的硅存在，使得样品的循环稳定性相对较差。 采用机械球磨及退火处理相结合的方法制备Si-Fe复合负极材料，利用Si-Fe合金良好的导电性和延展性来改善Si的循环性能。结果表明，经过实验处理后的物料部分达到了合金化，并且有不同形式的Si-Fe合金相形成，但合金化程度并不完全。Si-Fe合金的生成改善了Si作为锂离子电池负极材料的循环性能，且合金化程度越高，合金材料电化学性能越好。 硅的多孔化 硅的多孔化一方面能增加硅主体材料与电解液接触的比表面积，提高锂离子往材料内部的输运效率，增强材料的导电性，另一方面能为硅在充放电过程中可能存在的体积膨胀预留空间，减少硅体积效应对极片的影响。硅的多孔化目前已被广泛认为是解决硅体积效应的有效手段。
