新突破——低膨脹層狀無定形Si負極材料

硅陽極材料是目前唯一實現商業應用的新型陽極材料。純硅陽極材料在充滿電時的比容量可達4200mAh/g，遠高于傳統的石墨陽極材料。然而，當Li+嵌入硅陽極材料中時，硅陽極材料的晶格會嚴重膨脹，可以達到300%，這將導致硅陽極的粉碎和脫落，并導致電池的容量下降。

為了克服硅陽極材料的膨脹，可以制備硅納米顆粒、石墨包覆的納米顆粒和SiO2納米顆粒來抑制硅陽極材料膨脹。

即使采取這些措施，硅陽極材料膨脹對電池的影響也無法完全克服。因此，在實際應用中經常需要將硅材料與石墨材料混合，石墨材料用于吸收硅陽極顆粒的膨脹，減少電極的粉碎和脫落，提高電池的循環壽命。

最近，加拿大達爾豪斯大學的Leyi Zhao等人利用鋰硅合金除鋰工藝合成了一種具有層狀結構的非晶硅陽極材料。在鋰嵌入和鋰去除過程中，材料的體積膨脹明顯小于普通硅陽極材料，因此材料的循環性能也顯著提高。

LeyiZhao等人利用硅化鋰去除醇中的鋰，合成了具有層狀結構的非晶硅陽極材料。合成過程如下：首先，在Ar氣流的保護下，Si和Li通過電弧熔化，形成鋰硅合金，然后冷卻并研磨成粉末；將1g加入三頸瓶中，通過Ar氣流保護，并通過磁力攪拌；

最后，加入酒精或異丙醇并連續攪拌。需要注意的是，當使用異丙醇作為反應物時，反應較慢，需要油浴加熱，而使用酒精反應較快，不需要加熱措施。反應后，用去離子水和鹽酸洗滌硅陽極材料，然后在120℃下干燥，得到最終產物。

研究發現，化學比為Li12Si7、Li7Si3和Li13Si4的鋰硅合金在鋰去除后形成層狀產物，而化學比為Li22Si5的材料不形成層狀產物。

與結晶硅材料相比，層狀結構的非晶硅陽極材料的循環性能有了很大提高，50次循環后容量仍能保持在2000mAh/g以上。為了解釋層狀非晶硅材料優異的循環性能，Leyi Zhao測量了晶硅材料和層狀非晶Si材料在完全充電狀態下的體積膨脹，發現晶硅材料在完全帶電狀態下的體膨脹高達約241%，而層狀非晶硅材料的體積膨脹率僅為135%左右，這主要是由于層狀結構之間的空間較大，可以吸收鋰嵌入時硅的體積膨脹。

然而，由于這種材料的層狀結構，層與層之間的空間相對較大，約占整個材料體積的70%，這導致體積能量密度較低（704Wh/L），甚至低于鋰鈷氧化物石墨電池的體積能量密度（726Wh/L）。

非晶硅材料的循環性能明顯優于晶硅材料。特別是當非晶硅材料具有層狀結構時，層狀結構之間的空間吸收了嵌入鋰時硅材料的體積膨脹，這減少了材料顆粒的膨脹，提高了循環性能。然而，這也導致材料的低振實密度和使用該材料的電池的低體積能量密度。硅陽極材料是目前唯一實現商業應用的新型陽極材料。純硅陽極材料在充滿電時的比容量可達4200mAh/g，遠高于傳統的石墨陽極材料。然而，當Li+嵌入硅陽極材料中時，硅陽極材料的晶格會嚴重膨脹，可以達到300%，這將導致硅陽極的粉碎和脫落，并導致電池的容量下降。

為了克服硅陽極材料的膨脹，可以制備硅納米顆粒、石墨包覆的納米顆粒和SiO2納米顆粒來抑制硅陽極材料膨脹。

即使采取這些措施，硅陽極材料膨脹對電池的影響也無法完全克服。因此，在實際應用中經常需要將硅材料與石墨材料混合，石墨材料用于吸收硅陽極顆粒的膨脹，減少電極的粉碎和脫落，提高電池的循環壽命。

最近，加拿大達爾豪斯大學的Leyi Zhao等人利用鋰硅合金除鋰工藝合成了一種具有層狀結構的非晶硅陽極材料。在鋰嵌入和鋰去除過程中，材料的體積膨脹明顯小于普通硅陽極材料，因此材料的循環性能也顯著提高。

LeyiZhao等人利用硅化鋰去除醇中的鋰，合成了具有層狀結構的非晶硅陽極材料。合成過程如下：首先，在Ar氣流的保護下，Si和Li通過電弧熔化，形成鋰硅合金，然后冷卻并研磨成粉末；將1g加入三頸瓶中，通過Ar氣流保護，并通過磁力攪拌；

最后，加入酒精或異丙醇并連續攪拌。需要注意的是，當使用異丙醇作為反應物時，反應較慢，需要油浴加熱，而使用酒精反應較快，不需要加熱措施。反應后，用去離子水和鹽酸洗滌硅陽極材料，然后在120℃下干燥，得到最終產物。

研究發現，化學比為Li12Si7、Li7Si3和Li13Si4的鋰硅合金在鋰去除后形成層狀產物，而化學比為Li22Si5的材料不形成層狀產物。

與結晶硅材料相比，層狀結構的非晶硅陽極材料的循環性能有了很大提高，50次循環后容量仍能保持在2000mAh/g以上。為了解釋層狀非晶硅材料優異的循環性能，Leyi Zhao測量了晶硅材料和層狀非晶Si材料在完全充電狀態下的體積膨脹，發現晶硅材料在完全帶電狀態下的體膨脹高達約241%，而層狀非晶硅材料的體積膨脹率僅為135%左右，這主要是由于層狀結構之間的空間較大，可以吸收鋰嵌入時硅的體積膨脹。

然而，由于這種材料的層狀結構，層與層之間的空間相對較大，約占整個材料體積的70%，這導致體積能量密度較低（704Wh/L），甚至低于鋰鈷氧化物石墨電池的體積能量密度（726Wh/L）。

非晶硅材料的循環性能明顯優于晶硅材料。特別是當非晶硅材料具有層狀結構時，層狀結構之間的空間吸收了嵌入鋰時硅材料的體積膨脹，這減少了材料顆粒的膨脹，提高了循環性能。然而，這也導致材料的低振實密度和使用該材料的電池的低體積能量密度。

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