硅是目前已知比容量（4200mAh/g）最高的鋰離子電池負極材料，但由于其巨大的體積效應（>300%），硅電極材料在充放電過程中會粉化而從集流體上剝落，使得活性物質與活性物質、活性物質與集流體之間失去電接觸，同時不斷形成新的固相電解質層SEI，最終導致電化學性能的惡化。近年來，研究者們做了大量的研究和探索，嘗試解決這些問題并取得了一定的成效，下面就由小編帶著大家看看這一領域的研究進展，并提出進一步的研究方向和應用前景。

硅的脫嵌鋰機理和容量衰減機制

硅不具有石墨基材料的層狀結構，其儲鋰機制和其他金屬一樣，是通過與鋰離子的合金化和去合金化進行的，其充放電電極反應可以寫作下式：

Si+xLi++xe-LiXSi

圖1硅基鋰離子電池原理圖：（a）充電；（b）放電

在與鋰離子發生合金與去合金化過程中，硅的結構會經歷一系列的變化，而硅鋰合金的結構轉變和穩定性直接關系到電子的輸送。

根據硅的脫嵌鋰機理，我們可以把硅的容量衰減機制歸納如下：（1）在首次放電過程中，隨著電壓的下降，首先形成嵌鋰硅與未嵌鋰晶態硅兩相共存的核殼結構。隨著嵌鋰深度的增加，鋰離子與內部晶體硅反應生成硅鋰合金，最終以Li15Si4的合金形式存在。這一過程中相比于原始狀態硅體積變大約3倍，巨大的體積效應導致硅電極的結構破壞，活性物質與集流體'活性物質與活性物質之間失去電接觸，鋰離子的脫嵌過程不能順利進行，造成巨大的不可逆容量。（2）巨大的體積效應還會影響到SEI的形成，隨著脫嵌鋰過程的進行，硅表面的SEI會隨著體積膨脹而破裂再形成，使得SEI越來越厚。由于SEI的形成會消耗鋰離子，因而造成了較大的不可逆容量。同時SEI較差的導電性還會使得電極的阻抗隨著充放電過程不斷增大，阻礙集流體與活性物質的電接觸，增加了鋰離子的擴散距離，阻礙鋰離子的順利脫嵌，造成容量的快速衰減。同時較厚的SEI還會造成較大的機械應力，對電極結構造成進一步破壞。（3）不穩定的SEI層還會使得硅及硅鋰合金與電解液直接接觸而損耗，造成容量損失。

硅材料的選擇與結構設計

1.無定型硅和硅的氧化物

（1）無定型硅

無定形硅在低電位下擁有較高的容量，作為鋰離子電池負極材料"相比于石墨類電極材料安全性能更高。但無定形硅材料只能在有限程度上緩解顆粒的破碎和粉化，其循環穩定性仍不能滿足作為高容量電池負極材料的要求。

（2）硅的氧化物

作為鋰離子電池負極材料，SiO具有較高的理論比容量（1200mAh/g以上）、良好的循環性能以及較低的脫嵌鋰電位，因此也是一種極具潛力的高容量鋰離子電池負極材料。但氧化硅含氧量的不同也會影響其穩定性和可逆容量：隨著氧化硅中氧的提高，循環性能提高，但可逆容量減小。

除此之外，硅氧化物作為鋰離子電池負極材料還存在一些問題：由于首次嵌鋰過程中Li2O和鋰硅酸鹽形成過程是不可逆的，使得首次庫侖效率很低；同時Li2O和鋰硅酸鹽導電性差，使得電化學動力學性能較差，因而其倍率性能差；相比于單質硅，硅氧化物作為負極材料的循環穩定性更好，但是隨著循環次數繼續增加，其穩定性仍然很差。