石墨vs硅材料

　　石墨材料是锂离子电池界的元老，具有众多优良的素质，但是随着近年来一批高性能的负极材料异军突起，威胁到了石墨材料的地位，演绎了一场相爱相杀的大戏。硅负极材料作为新材料中的杰出代表，与石墨真的是爱恨情仇理不清。

　　硅负极材料理论比容量达到4200mAh/g以上，远高于石墨类负极（372mAh/g），是下一代锂离子电池负极材料的有力竞争者。但是硅负极存在天然的缺陷，锂嵌入到Si的晶胞内，会导致Si材料发生严重的膨胀，体积膨胀达到300%，造成正极材料膨胀、粉化，造成容量迅速下降，为了克服硅负极的这些缺点，科学家将两种材料结合在一起，利用石墨克服硅负极的缺点。虽然硅最初是要取代石墨负极，但是最后两种材料却走到了一起，你中有我，我中有你。

　　硅碳复合根据硅的分布方式主要分为包覆型、嵌入型和分子接触型，而根据形态则分为颗粒型和薄膜型，根据硅碳种类的多少分为硅碳二元复合与硅碳多元复合。

　　硅碳复合材料的制备方法有多种，例如高能球磨法（既机械活化法，其主要原理是利用机械能诱发化学反应或者诱导材料组织、结构和性能的变化）、化学气相沉淀法（既CVD法）、溅射沉积法（这是制备膜材料的主要方法，利用气体放电产生的离子，在电场的作用下，高速轰击靶材，使得靶材中原子逸出，沉积到基体上形成薄膜），蒸镀法（将材料加热蒸发，使得材料气化/升华，并沉积在基体上形成薄膜），高温裂解法等。

　　目前应用的主要方法为高温裂解法，这种方法，相较于其他方法，工艺相对简单，具有很好的应用前景。常用的方法为将纳米硅颗粒分散在有机溶剂中，并加入相应的有机物，干燥后在高温下发生反应裂解反应，生成Si碳复合材料。例如Pengfei.G等将纳米Si，六氯环三膦腈（HCCP）和4，4’-二羟基二苯砜（BSP）加入到四氢呋喃和乙醇的混合溶液之中，然后加入三乙胺（TEA）分散清洗干燥后，高温裂解得到Si-C复合材料，其比容量超过1200mAh/g以上，循环40次容量保持率达到95.6%。

　　高能球磨也是目前的研究热点，利用高速球磨产生的机械能，促进体系的化学反应，用较低的成本获得目标产物。例如，Chil.Hoon等利用高能球磨法，首先将铁粉、铜粉和纳米硅颗粒混合在一起，然后将石墨加入其中在此球磨，得到Fe-Cu/Si/C多元复合材料。

　　气相沉积法是实验室中常用的方法，Pengfei.G等利用气相沉积法在纳米Si颗粒的表面沉积了多壁碳纳米管（MWNT），碳纳米管形成了良好的导电网络，复合材料的容量和循环性能都表现很好，首次充电比容量可以达到1592mAh/g以上，循环20次后，比容量仍然能够达到1400mAh/g。

　　目前制备Si-C复合材料的方法很多，一些方法（溅射沉积法等）制备的薄膜型的Si电极具有十分良好的循环性能，但是这些方法目前来看，生产成本过高，无法大规模生产，这都限制了其在生产中的应用。目前较为实用的方法为高温裂解法和高能球磨法两种，通过优化工艺可以获得性能较好的产品。