硅基體負極材料在消費電子和電動汽車領域具有競爭力

負極材料中，石墨負極材料市場份額占比95%。但石墨負極材料克容量較低，難以滿足鋰離子電池商業市場需求。

硅基負極材料，因為其具有較高的克容量、環境友好、儲量豐富等特點，或成為下一代鋰離子電池負極材料的主要選擇對象，或將在消費電子和電動汽車領域具有競爭力。

硅基負極材料主要包括硅、硅氧化物、硅/碳復合材料三種類型。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

1、硅負極

硅負極的儲鋰機制是合金化儲鋰機制。充放電過程通過硅（Si）與鋰（Li）的合金化和去合金化反應實現。硅與鋰的相關反應方程式如下：

Si+xLi++xe-LixSi

可描述為Si與LixSi合金之間的轉化。在合金化（儲鋰）過程中，硅和鋰反應可形成一系列LixSi（x=0~4.4）合金，其中Li22Si5的理論克容量為4200mAh/g，Li15Si4的理論克容量為3587mAh/g，均高于石墨的理論克容量（372mAh/g）。

硅負極是高能量密度鋰離子電池中具有潛力的負極材料。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

硅負極材料的應用于鋰離子電池中存在以下三個問題：

（1）硅負極材料在充放電過程中，存在300-400%的體積變化，導致電極粉化和循環穩定性差。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

（2）硅屬于半導體，導電性差，作為負極時，倍率性能差。

（3）硅負極的電化學界面穩定性差，循環過程中，隨著硅的膨脹和收縮，SEI膜（固體電解質界面膜，電子不能通過，鋰離子可以通過的膜）持續生長，導致電極容量快速衰減。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

2、硅氧化物

根據課程介紹，氧化亞硅（SiO，一種硅氧化物）已開始應用于鋰離子電池負極材料。

與石墨相比，硅氧化物（SiOx）具有較高的比容量（克容量）；與硅相比，硅氧化物具有良好的循環穩定性能。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術》

硅氧化物應用于鋰離子電池負極材料的主要存在兩個問題：

（1）硅氧化物負極材料的循環性能因以下三個原因衰減：

1）在充放電過程中，硅氧化物體積效應（根據網絡資料理解：金屬變形導致其性能變化的效應）明顯。盡管氧原子的存在會在原位生成惰性緩沖相（個人理解：可以緩解體積效應的組織結構），但總體體積效應仍然較大，所產生的機械應力會使得活性材料（個人理解：硅氧化物等因可以脫嵌鋰而被稱為活性材料）粉化并與集流體（包裹電極的金屬箔）之間發生電接觸失效。

2）硅氧化物的本征電導率（根據網絡資料理解：考慮材料使用環境測得的電導率，較一般電導率測量數值更加準確）低，對電化學性能會造成不利影響。

3）硅氧化物負極與一些電解液匹配性不佳，容易被鋰鹽分解所產生的微量氟化氫（HF）腐蝕。