硅作为当今最有潜力取代石墨作为锂电负极的材料，储量丰富，且具备十倍于后者的质量比容量。目前硅负极的研究在质量比容量（>1000mAhg^-1）以及循环性能（>500圈）、倍率性能研究方面取得了长足的进步，但遗憾的是，以上进展更多是在低电极负载量（<1mgcm^-2）或者薄电极（<10um）的情况下取得的。在实际电池工作条件下（面容量>3mAhcm^-2），硅作为合金型负极材料在嵌锂脱锂过程中的严重体积膨胀问题不仅限制了质量比容量的循环输出，同时远不能达到电极高稳定性、低膨胀率的要求（电池电芯体积变化要求一般<5%，最大允许30%）。

　　美国太平洋西北国家实验室的Ji-Guang Zhang团队采用碳包覆的多孔硅与石墨混合作为负极活性材料，考量多孔硅碳、石墨的体积膨胀率，通过控制多孔硅的含量限制整个电极的体积膨胀。　　



　　图1 多孔硅碳-石墨负极材料设计。多孔硅因为预留孔隙的存在，比纳米硅更好地缓冲嵌锂脱锂时的体积变化。经理论计算，即使多孔硅碳与石墨含量比为1:2,整个负极材料的嵌锂体积膨胀率仅为10%。　　



　　图2 多孔硅碳-石墨负极在3 mAh cm^-2负载，1:2，1:3含量比条件下循环450圈后均可保持~85%的容量。



　　　　图3 电极在充放电过程中厚度变化的原位测试及表征。循环10圈后，电极嵌锂态的体积膨胀率为~20%，脱锂之后体积膨胀率为~10%，基本与石墨负极的体积膨胀率相当。



图4 压实电极循环前后的形貌表征及电化学性能。电极经压实后，在充放电过程中仍然保持较好的结构稳定性，而体积比容量可提高至~750mAhcm^-3。

　　　　图5 全电池电化学性能测试。Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂为正极，多孔硅碳-石墨为负极的全电池仍保持优异的循环稳定性（300圈后容量保持率为~84%）。

　　上述工作以多孔硅碳与石墨混合作为负极材料的设计思路很好地限制了硅负极体积膨胀问题，对加快实现硅负极产业化具有重要的借鉴意义。不过，该负极中石墨仍然是活性材料的主体；而对于合金型负极材料而言，容量与体积变化成正比。因此，在尝试以硅为主体的活性材料来取代石墨，在实际电池条件下大幅度提高负极的质量比容量、体积比容量的过程中所产生的体积膨胀问题，依然摆在锂离子电池负极，特别是硅负极研究工作者的面前。

　　该成果发表在Energy&Environmental Science. Li, X., Yan, P., Xiao, X., Woo, J. H., Wang, C., & Liu, J., et al. (2017). Design of porous si/c–graphite electrodes with long cycle stability and controlled swelling. Energy & Environmental Science.

　　

　　来源：中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=81868