在眾多的替代材料之中，硅有望成為下一代大容量鋰電池的負(fù)極材料。硅的理論比容量比石墨的比容量高一個數(shù)量級，且硅是地殼中豐度第二高的元素，無毒無害。

但是，硅作為鋰電池的負(fù)極材料還存在鋰化和去鋰化過程中體積膨脹和收縮的問題。那么，突破高能陷阱，鋰電池負(fù)極材料之爭究竟會花落誰家？

鋰電池由于其電壓高、比容量大、循環(huán)壽命長、自放電小、安全性能好、無記憶效應(yīng)和環(huán)境友好等優(yōu)點，成為一種受人矚目的綠色儲能電池。鋰電池將在低碳環(huán)保和節(jié)能減排方面越來越顯示出其重要的用途。

但是，當(dāng)前的鋰電池技術(shù)還無法完全滿足新應(yīng)用領(lǐng)域的需求，迫切要朝著高能量密度、長循環(huán)壽命和低成本的方向發(fā)展。

目前鋰電池的研究重要集中在幾種關(guān)鍵材料：正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜。

鋰電池的工作原理重要是充放電原理，即在正、負(fù)極之間鋰離子透過電解質(zhì)進行可逆地嵌入脫出反應(yīng)。鋰離子在電池的充放電過程中一直處于從正極→負(fù)極→正極的持續(xù)運動狀態(tài)。

在一般情況下，鋰離子在正負(fù)極間的嵌入和脫出，是不會改變晶體的結(jié)構(gòu)，改變的只有晶體的層間距。

以石墨負(fù)極為例，在充電過程中，鋰插入到石墨的層狀結(jié)構(gòu)中，放電時則從層狀結(jié)構(gòu)中拋出了，此過程的可逆性很好，因此所組成的鋰二次電池循環(huán)性能非常優(yōu)越。

鋰電池的正負(fù)極材料均由可嵌鋰物質(zhì)組成。從鋰電池的發(fā)展來看，鋰電池的電化學(xué)性能重要取決于所用電極材料和電解質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)和性能。

負(fù)極作為其關(guān)鍵構(gòu)成成分之一，直接決定了鋰電池的性能，目前市場上重要采用石墨類負(fù)極材料，沒有毒性，且處于放電狀態(tài)時在空氣中比較穩(wěn)定。

然而，石墨類負(fù)極的兩個致命缺陷：低能量密度(理論比容量372mAh/g)和安全隱患(析鋰現(xiàn)象)令其無法很好適用于動力鋰電池。

因此，尋找一種新型高容量、安全性好和長循環(huán)的材料來替換石墨類負(fù)極材料成為動力鋰電池進一步發(fā)展的關(guān)鍵。

除石墨類碳基負(fù)極材料以外，非碳基負(fù)極材料的發(fā)展也十分突出，其中重要有氮化物材料，硅基材料，錫基材料，新型合金等。

硅因其超高比容量(理論值4200mAh/g)、低嵌鋰電位(<0.5V)和元素含量豐富等優(yōu)點而脫穎而出。

然而，在硅鋰合金化過程中伴隨著巨大的體積效應(yīng)(>300%)，使活性材料粉化、電極內(nèi)電接觸失效，最終導(dǎo)致循環(huán)性能迅速衰退，很大程度上限制了其商業(yè)化應(yīng)用。

如何緩解硅的體積變化對電極的不利影響是硅基材料取代傳統(tǒng)石墨類碳基材料實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

近年來，硅氧化物(SiOx，0

硅氧化物和碳石墨類材料相比，具有較高的比容量，和Si單質(zhì)相比擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

硅氧化物材料是一種極具有潛力的鋰電池負(fù)極材料，供應(yīng)高容量的超細(xì)納米硅團簇均勻分散在硅氧化物基質(zhì)中，能夠緩沖體積效應(yīng)和保護電化學(xué)活性，因此令其綜合具備高容量和長循環(huán)等性能。

雖然硅氧化物負(fù)極材料具有很強的優(yōu)勢，但實現(xiàn)實用化仍然存在較多問題有待解決。

氮化物負(fù)極材料存在充放電平臺不穩(wěn)定，經(jīng)過多周期的循環(huán)后有衰減的明顯狀況，其限制了其在實際中的應(yīng)用。金屬錫具有較高的嵌鋰比容量，但嵌鋰時材料體積容易改變，循環(huán)穩(wěn)定性較差。

在眾多的替代材料之中，硅碳復(fù)合材料逐漸進入大眾視野中，由碳和硅形成分散或包覆的結(jié)構(gòu)，其中硅的用途是重點提升容量和密度，而碳的用途是緩沖嵌脫鋰過程中硅的體積變化，從而來提高復(fù)合材料的電子電導(dǎo)率和相容性。因此硅碳復(fù)合材料導(dǎo)電率高、循環(huán)性能好。期待其早日實現(xiàn)技術(shù)突破，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。