综述：硅基负极材料在下一代锂离子电池中的研究进展：挑战及与传统材料的对比

本综述系统梳理了硅基负极材料在锂离子电池（LIBs）中的应用潜力与挑战，重点分析了其超高理论容量（4,200 mAh/g）、体积膨胀（300-400%）等特性，并总结了纳米化、合金化、预锂化（Prelithiation）等优化策略，为高能量密度电池开发提供重要参考。

　　

1. 摘要

硅因其超高理论容量（4,200 mAh/g）、丰富储量和环境友好性成为锂离子电池负极研究热点。然而，充放电过程中300-400%的体积膨胀会导致电极粉化、固态电解质界面（SEI）层失控生长等问题。近年来通过纳米化、碳包覆（Si@C）、合金化等策略显著提升了循环稳定性，但商业化应用仍需解决低初始库伦效率（ICE）和安全性问题。

引言

全球80%能源依赖化石燃料，推动了对高效储能设备的需求。锂离子电池（LIBs）因高能量密度（>250 Wh/kg）成为电动汽车（EVs）首选，但其性能瓶颈在于石墨负极的低容量（372 mAh/g）。硅负极的容量是石墨的10倍，但膨胀效应导致循环寿命骤降。研究显示，硅的电子电导率（10^?5S cm^?1）和离子扩散系数（10^?14 cm²s^?1）亟待提升。

石墨负极的局限性

传统石墨负极通过锂离子层间嵌入（intercalation）工作，但其理论容量已接近天花板。相比之下，硅通过合金化反应（Li_4.4Si）实现储能，但体积变化远超石墨的12%，引发电极结构崩塌。

硅负极的优化策略

纳米结构化：将硅颗粒缩小至150 nm以下可缓解机械应力，如多孔硅纳米线使循环寿命提升至500次。
碳基复合材料：核壳结构Si@C中碳层（厚度20-50 nm）能缓冲膨胀，SiO₂@Si/C复合材料则通过界面稳定化将ICE提高至92%。
预锂化技术：通过LiH或Li₃N补偿首次循环的锂损耗，但会牺牲5-10%的能量密度。

商业化前景

特斯拉4680电池已采用硅碳复合负极，实际能量密度达300 Wh/kg。未来需开发低膨胀硅氧化物（SiO_x）和自修复粘结剂体系，以解决规模化生产中的电极脱落问题。

结论与展望

硅基负极的商业化需协同优化材料设计（如梯度浓度掺杂）与工艺创新（干法电极制备）。突破400 Wh/kg能量密度阈值后，硅基电池有望在航空航天领域实现应用。