前言

硅-碳復(fù)合材料以其優(yōu)異循環(huán)性能和高容量特性，成為目前鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料。硅-碳復(fù)合方法和碳材料的選取對(duì)復(fù)合材料的形貌和電化學(xué)性能具有重要的影響。

目前，硅-碳復(fù)合負(fù)極材料中作為基質(zhì)的碳可分為石墨碳、無定型碳、中間相碳微球、碳纖維、碳納米管、石墨烯等。下面小編就硅-碳復(fù)合負(fù)極材料進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

一、硅-碳二元復(fù)合

1、硅-石墨復(fù)合材料

石墨是目前應(yīng)用最廣泛的鋰離子電池負(fù)極材料，具有良好的電壓平臺(tái)且價(jià)格低廉，層片狀結(jié)構(gòu)可以有效緩沖充放電過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。如何使硅-石墨復(fù)合材料電化學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)化一直以來都是研究的重點(diǎn)。

硅-石墨復(fù)合材料SEM表面形貌圖片

硅-石墨復(fù)合材料主要制備方法有溶膠凝膠法和機(jī)械球磨法。

1）溶膠凝膠法是采用Si5H10作為硅的前驅(qū)體與多孔的天然石墨混合，熱處理后得到硅-石墨復(fù)合材料。

該方法優(yōu)點(diǎn)是：制備的復(fù)合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

2）機(jī)械球磨法是將聚（苯乙烯 - 二乙烯基苯）微球嵌入到硅-石墨復(fù)合材料中，通過高能球磨制備硅-石墨復(fù)合材料。

該方法優(yōu)點(diǎn)是：減小材料體積膨脹，提高電極材料的循環(huán)性能。

2、硅-無定型碳復(fù)合材料

無定型碳是一種無定型結(jié)構(gòu)的碳材料，通常由高分子材料低溫裂解而獲得，大多具有較高的可逆比容量，與電解液相容性較好。采用無定型碳作為基體不僅起到很好的體積緩沖作用，而且提高了材料的導(dǎo)電性能。

硅-碳復(fù)合負(fù)極材料應(yīng)用于鋰電池

硅-無定型碳復(fù)合材料主要制備方法有熱解法和高能球磨法。

1）熱解法是通過熱解酚醛樹脂制備硅-碳復(fù)合材料。研究表明該復(fù)合材料10次循環(huán)后可逆比容量為640~1029 mA/g。

該方法優(yōu)點(diǎn)是：酚醛樹脂與硅之間形成的共價(jià)鍵增強(qiáng)了硅碳之間的結(jié)合力，可以提高了材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并降低了首次不可逆比容量。

2）高能球磨法是以一氧化硅和蔗糖為原料，通過高能球磨和后續(xù)熱解原位制備出硅-碳復(fù)合材料，其中納米硅顆粒（＜50nm）均勻地分散于無定型碳基體中。

3、硅-納米碳復(fù)合材料

硅-納米碳復(fù)合材料主要分為硅-碳納米管和硅-石墨烯。

1）硅-碳納米管復(fù)合材料

硅-碳納米管復(fù)合材料的制備方法有化學(xué)氣相沉積法、高能球磨法和脈沖激光沉積法。碳納米管是由單層或多層的石墨片卷曲而成的納米管，層與層之間的距離約為 0.34 nm，較大的層間距更有利于鋰離子的嵌入和脫出。因碳管長(zhǎng)度有限，鋰離子脫嵌深度小，路徑相對(duì)較短，電極在大電流下充放電極化程度較小。另外其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性良好，因此碳納米管得到了廣泛的關(guān)注。

化學(xué)氣相沉積法是采用C8H10、Fe（C5H5）2作為碳源和催化劑，首先制備出縱向有序的碳納米管陣列，然后以SiH4作為硅源在碳納米管表面沉積納米硅顆粒，得到硅-碳納米管復(fù)合材料。

硅-碳納米管復(fù)合材料合成示意圖

該方法優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是產(chǎn)率較低，生產(chǎn)成本高且制備過程難以精確控制，不宜大規(guī)模生產(chǎn)。

2）硅-石墨烯復(fù)合材料

石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械性能，而且還有高的比表面積，這些因素都有利于電化學(xué)性能的提高，因此有望作為基體制備硅碳復(fù)合材料。

硅-石墨烯復(fù)合材料制備方法是將硅源和氧化石墨置于水中超聲混勻后進(jìn)行冷凍干燥得到冷凍干燥粉體后，將其置于非氧化性氣氛下進(jìn)行還原反應(yīng)，反應(yīng)制備硅-石墨烯復(fù)合材料。

該方法優(yōu)點(diǎn)是無需模板，實(shí)用化程度高，且得到的硅-石墨烯復(fù)合材料集合了石墨烯基復(fù)合材料與多孔材料的優(yōu)點(diǎn)，改善了硅基材料作為鋰離子電池負(fù)極材料存在的比容量低、循環(huán)性能與倍率性能差、庫(kù)倫效率低的問題。

硅-石墨烯復(fù)合材料SEM圖片（右圖）

二、硅-碳多元復(fù)合材料

目前，研究者通過硅、碳與各種金屬或金屬氧化物復(fù)合提高電極材料的電化學(xué)性能，取得了很大的進(jìn)展。硅-碳多元復(fù)合材料主要有Si1.81Co0.6Mn0.6Al0.3復(fù)合材料、SixCo0.6B0.6Al0.2復(fù)合材料、Si/MgO/C復(fù)合材料等。

硅、碳與各種金屬或金屬氧化物進(jìn)行復(fù)合可以有效地提高材料的可逆容量和循環(huán)性能。現(xiàn)階段的研究只限于簡(jiǎn)單機(jī)械球磨等方法來制備，在此方面還有很大的研究空間。