碳基还是硅基？突破高能量，锂电池负极材料之争会花落谁家？

在众多的替代材料之中，硅有望成为下一代大容量锂电池的负极材料。硅的理论比容量比石墨的比容量高一个数量级，且硅是地壳中丰度第二高的元素，无毒无害。

但是，硅作为锂电池的负极材料还存在锂化和去锂化过程中体积膨胀和收缩的问题。那么，突破高能陷阱，锂电池负极材料之争究竟会花落谁家？

锂电池由于其电压高、比容量大、循环寿命长、自放电小、安全性能好、无记忆效应和环境友好等优点，成为一种受人瞩目的绿色储能电池。锂电池将在低碳环保和节能减排方面越来越显示出其重要的用途。

但是，当前的锂电池技术还无法完全满足新应用领域的需求，迫切要朝着高能量密度、长循环寿命和低成本的方向发展。

目前锂电池的研究重要集中在几种关键材料：正极材料、负极材料、电解液和隔膜。

锂电池的工作原理重要是充放电原理，即在正、负极之间锂离子透过电解质进行可逆地嵌入脱出反应。锂离子在电池的充放电过程中一直处于从正极→负极→正极的持续运动状态。

在一般情况下，锂离子在正负极间的嵌入和脱出，是不会改变晶体的结构，改变的只有晶体的层间距。

以石墨负极为例，在充电过程中，锂插入到石墨的层状结构中，放电时则从层状结构中抛出了，此过程的可逆性很好，因此所组成的锂二次电池循环性能非常优越。

锂电池的正负极材料均由可嵌锂物质组成。从锂电池的发展来看，锂电池的电化学性能重要取决于所用电极材料和电解质材料的结构和性能。

负极作为其关键构成成分之一，直接决定了锂电池的性能，目前市场上重要采用石墨类负极材料，没有毒性，且处于放电状态时在空气中比较稳定。

然而，石墨类负极的两个致命缺陷：低能量密度(理论比容量372mAh/g)和安全隐患(析锂现象)令其无法很好适用于动力锂电池。

因此，寻找一种新型高容量、安全性好和长循环的材料来替换石墨类负极材料成为动力锂电池进一步发展的关键。

除石墨类碳基负极材料以外，非碳基负极材料的发展也十分突出，其中重要有氮化物材料，硅基材料，锡基材料，新型合金等。

硅因其超高比容量(理论值4200mAh/g)、低嵌锂电位(<0.5V)和元素含量丰富等优点而脱颖而出。

然而，在硅锂合金化过程中伴随着巨大的体积效应(>300%)，使活性材料粉化、电极内电接触失效，最终导致循环性能迅速衰退，很大程度上限制了其商业化应用。

如何缓解硅的体积变化对电极的不利影响是硅基材料取代传统石墨类碳基材料实现商业化应用的关键。

近年来，硅氧化物(SiOx，0<x&le;2)引起了人们的关注，最常见的如氧化亚硅(SiO，x&asymp;1)，目前已经开始用于锂电池负极材料并展现出巨大的潜力。

硅氧化物和碳石墨类材料相比，具有较高的比容量，和Si单质相比拥有良好的循环稳定性。

硅氧化物材料是一种极具有潜力的锂电池负极材料，供应高容量的超细纳米硅团簇均匀分散在硅氧化物基质中，能够缓冲体积效应和保护电化学活性，因此令其综合具备高容量和长循环等性能。

虽然硅氧化物负极材料具有很强的优势，但实现实用化仍然存在较多问题有待解决。

氮化物负极材料存在充放电平台不稳定，经过多周期的循环后有衰减的明显状况，其限制了其在实际中的应用。金属锡具有较高的嵌锂比容量，但嵌锂时材料体积容易改变，循环稳定性较差。

在众多的替代材料之中，硅碳复合材料逐渐进入大众视野中，由碳和硅形成分散或包覆的结构，其中硅的用途是重点提升容量和密度，而碳的用途是缓冲嵌脱锂过程中硅的体积变化，从而来提高复合材料的电子电导率和相容性。因此硅碳复合材料导电率高、循环性能好。期待其早日实现技术突破，实现商业化应用。