1、什么是负极材料？

简单来介绍一下锂离子电池工作的原理，就是锂离子在正负极之间不断的往返，这样一个高度可逆的氧化还原反应系统，就形成了锂离子电池充放电的过程。

图5 锂离子充电电池原理

所以，负极材料就相当于是在充电过程中锂离子的“容身之所”，理论上而言，当假设正极材料可以无限提供锂离子时，负极材料如果能够容纳的锂离子越多，那么在同等条件下，锂离子电池的能量密度和容量就可以越高。所以，负极相当于就是整个电池能量存储和释放的“仓库”。这个“仓库”越大，自然电池性能就越好。

2、潜力无限的硅负极

目前电池材料中最常见的有两大类负极材料，分别为碳基材料和非碳材料。

图 6 负极材料的分类

从应用市场来看，石墨类负极材料是商业化最成功的负极材料。但是，经过多年的研究与技术改进，商业化的高端石墨负极产品比容量也只能达到365 mAh／g，难以进一步提升，低的容量已经无法满足高能量密度电池的要求，特别是消费电子产品和电动汽车领域的快速发展。因此，需要开发新一代高能量密度负极材料。硅作为合金化反应负极材料的代表，是高比能负极材料最有希望的候选材料之一。

总的来说，硅负极具有以下优点：

（1）硅负极材料最大的优点是它的理论容量高达4200mAh／g，是传统石墨材料的10 倍以上，而且具有较低充放电平台。

（2）硅负极材料与电解液反应活性低，不容易促使电池内部的固体电解质界面膜持续地生成，相比而言，有效减少了电解液的消耗，进而减少了容量的损耗。以此为基础，硅负极电池包容量可以一举突破100kWh，在未来，甚至在更远的将来1000kWh也是有希望实现的。

（3）硅材料来源广、储量丰富、本身无毒及对环境友好，并且在太阳能领域和半导体产业已得到广泛应用，相关开发技术较成熟，很大程度降低其生产成本。因此，硅负极是行业内公认的下一代高比能锂离子电池负极材料的首选。

图 7 硅（a）锂（b）和硅锂体系（c）的晶体结构，（d）硅锂体系的晶相图（e）不同合金产物的电极反应和理论容量

硅基材料作为被广泛看好的下一代负极材料的主力军，目前国内包括宁德时代、比亚迪在内的诸多业界龙头都在紧锣密鼓的进行硅负极体系的研发和试生产，海外企业贝特瑞甚至已经实现硅碳负极量产，但据公开数据，此前没有任何一家企业真正做到长续航硅负极电池的量产。

这是因为尽管硅负极材料拥有高的理论容量，但是硅负极材料目前仍面临三个主要问题：

（1）硅嵌锂后的体积膨胀高达300％－400％，造成电极活性材料粉化和结构的破坏，其次导致硅材料与导电剂脱离，降低导电性，导致电化学失效，致使容量快速衰减，循环寿命恶化。同时，巨大体积膨胀导致SEI膜反复破坏与再生，使得电解液加速分解并消耗，导致库伦效率降低。巨大的体积变化也会导致电极膜溶胀变大开裂，使活性材料从集流体上脱落，导致电池内阻增加，发热量加大，引起电池鼓包，带来严重的安全隐患。

（2）硅的导电性差及锂离子扩散慢。硅的导电率为10－3 S／cm，离子扩散系数为10－12 cm2／s。低的电子传导和离子扩散导致动力学迟缓，活性材料利用率下降，最终导致容量的剧烈衰减。此外缓慢的动力学行为也无法保证硅负极大电流密度下的正常充放电，引起较差的倍率性能。

（3）有关制备工艺较复杂，成本较高。目前硅负极较高的生产成本和复杂的技术工艺无法推动硅负极的快速发展。因此，降低生产成本，简化生产工艺，加强生产的环境保护也是硅负极材料广泛应用过程中急需解决的难题。