硅基体负极材料在消费电子和电动汽车领域具有竞争力

负极材料中，石墨负极材料市场份额占比95%。但石墨负极材料克容量较低，难以满足锂离子电池商业市场需求。

硅基负极材料，因为其具有较高的克容量、环境友好、储量丰富等特点，或成为下一代锂离子电池负极材料的主要选择对象，或将在消费电子和电动汽车领域具有竞争力。

硅基负极材料主要包括硅、硅氧化物、硅/碳复合材料三种类型。

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

1、硅负极

硅负极的储锂机制是合金化储锂机制。充放电过程通过硅（Si）与锂（Li）的合金化和去合金化反应实现。硅与锂的相关反应方程式如下：

Si+xLi++xe-LixSi

可描述为Si与LixSi合金之间的转化。在合金化（储锂）过程中，硅和锂反应可形成一系列LixSi（x=0~4.4）合金，其中Li22Si5的理论克容量为4200mAh/g，Li15Si4的理论克容量为3587mAh/g，均高于石墨的理论克容量（372mAh/g）。

硅负极是高能量密度锂离子电池中具有潜力的负极材料。

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硅负极材料的应用于锂离子电池中存在以下三个问题：

（1）硅负极材料在充放电过程中，存在300-400%的体积变化，导致电极粉化和循环稳定性差。

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（2）硅属于半导体，导电性差，作为负极时，倍率性能差。

（3）硅负极的电化学界面稳定性差，循环过程中，随着硅的膨胀和收缩，SEI膜（固体电解质界面膜，电子不能通过，锂离子可以通过的膜）持续生长，导致电极容量快速衰减。

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2、硅氧化物

根据课程介绍，氧化亚硅（SiO，一种硅氧化物）已开始应用于锂离子电池负极材料。

与石墨相比，硅氧化物（SiOx）具有较高的比容量（克容量）；与硅相比，硅氧化物具有良好的循环稳定性能。

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硅氧化物应用于锂离子电池负极材料的主要存在两个问题：

（1）硅氧化物负极材料的循环性能因以下三个原因衰减：

1）在充放电过程中，硅氧化物体积效应（根据网络资料理解：金属变形导致其性能变化的效应）明显。尽管氧原子的存在会在原位生成惰性缓冲相（个人理解：可以缓解体积效应的组织结构），但总体体积效应仍然较大，所产生的机械应力会使得活性材料（个人理解：硅氧化物等因可以脱嵌锂而被称为活性材料）粉化并与集流体（包裹电极的金属箔）之间发生电接触失效。

2）硅氧化物的本征电导率（根据网络资料理解：考虑材料使用环境测得的电导率，较一般电导率测量数值更加准确）低，对电化学性能会造成不利影响。

3）硅氧化物负极与一些电解液匹配性不佳，容易被锂盐分解所产生的微量氟化氢（HF）腐蚀。