新突破——低膨胀层状无定形Si负极材料

硅阳极材料是目前唯一实现商业应用的新型阳极材料。纯硅阳极材料在充满电时的比容量可达4200mAh/g，远高于传统的石墨阳极材料。然而，当Li+嵌入硅阳极材料中时，硅阳极材料的晶格会严重膨胀，可以达到300%，这将导致硅阳极的粉碎和脱落，并导致电池的容量下降。

为了克服硅阳极材料的膨胀，可以制备硅纳米颗粒、石墨包覆的纳米颗粒和SiO2纳米颗粒来抑制硅阳极材料膨胀。

即使采取这些措施，硅阳极材料膨胀对电池的影响也无法完全克服。因此，在实际应用中经常需要将硅材料与石墨材料混合，石墨材料用于吸收硅阳极颗粒的膨胀，减少电极的粉碎和脱落，提高电池的循环寿命。

最近，加拿大达尔豪斯大学的Leyi Zhao等人利用锂硅合金除锂工艺合成了一种具有层状结构的非晶硅阳极材料。在锂嵌入和锂去除过程中，材料的体积膨胀明显小于普通硅阳极材料，因此材料的循环性能也显著提高。

LeyiZhao等人利用硅化锂去除醇中的锂，合成了具有层状结构的非晶硅阳极材料。合成过程如下：首先，在Ar气流的保护下，Si和Li通过电弧熔化，形成锂硅合金，然后冷却并研磨成粉末；将1g加入三颈瓶中，通过Ar气流保护，并通过磁力搅拌；

最后，加入酒精或异丙醇并连续搅拌。需要注意的是，当使用异丙醇作为反应物时，反应较慢，需要油浴加热，而使用酒精反应较快，不需要加热措施。反应后，用去离子水和盐酸洗涤硅阳极材料，然后在120℃下干燥，得到最终产物。

研究发现，化学比为Li12Si7、Li7Si3和Li13Si4的锂硅合金在锂去除后形成层状产物，而化学比为Li22Si5的材料不形成层状产物。

与结晶硅材料相比，层状结构的非晶硅阳极材料的循环性能有了很大提高，50次循环后容量仍能保持在2000mAh/g以上。为了解释层状非晶硅材料优异的循环性能，Leyi Zhao测量了晶硅材料和层状非晶Si材料在完全充电状态下的体积膨胀，发现晶硅材料在完全带电状态下的体膨胀高达约241%，而层状非晶硅材料的体积膨胀率仅为135%左右，这主要是由于层状结构之间的空间较大，可以吸收锂嵌入时硅的体积膨胀。

然而，由于这种材料的层状结构，层与层之间的空间相对较大，约占整个材料体积的70%，这导致体积能量密度较低（704Wh/L），甚至低于锂钴氧化物石墨电池的体积能量密度（726Wh/L）。

非晶硅材料的循环性能明显优于晶硅材料。特别是当非晶硅材料具有层状结构时，层状结构之间的空间吸收了嵌入锂时硅材料的体积膨胀，这减少了材料颗粒的膨胀，提高了循环性能。然而，这也导致材料的低振实密度和使用该材料的电池的低体积能量密度。硅阳极材料是目前唯一实现商业应用的新型阳极材料。纯硅阳极材料在充满电时的比容量可达4200mAh/g，远高于传统的石墨阳极材料。然而，当Li+嵌入硅阳极材料中时，硅阳极材料的晶格会严重膨胀，可以达到300%，这将导致硅阳极的粉碎和脱落，并导致电池的容量下降。

为了克服硅阳极材料的膨胀，可以制备硅纳米颗粒、石墨包覆的纳米颗粒和SiO2纳米颗粒来抑制硅阳极材料膨胀。

即使采取这些措施，硅阳极材料膨胀对电池的影响也无法完全克服。因此，在实际应用中经常需要将硅材料与石墨材料混合，石墨材料用于吸收硅阳极颗粒的膨胀，减少电极的粉碎和脱落，提高电池的循环寿命。

最近，加拿大达尔豪斯大学的Leyi Zhao等人利用锂硅合金除锂工艺合成了一种具有层状结构的非晶硅阳极材料。在锂嵌入和锂去除过程中，材料的体积膨胀明显小于普通硅阳极材料，因此材料的循环性能也显著提高。

LeyiZhao等人利用硅化锂去除醇中的锂，合成了具有层状结构的非晶硅阳极材料。合成过程如下：首先，在Ar气流的保护下，Si和Li通过电弧熔化，形成锂硅合金，然后冷却并研磨成粉末；将1g加入三颈瓶中，通过Ar气流保护，并通过磁力搅拌；

最后，加入酒精或异丙醇并连续搅拌。需要注意的是，当使用异丙醇作为反应物时，反应较慢，需要油浴加热，而使用酒精反应较快，不需要加热措施。反应后，用去离子水和盐酸洗涤硅阳极材料，然后在120℃下干燥，得到最终产物。

研究发现，化学比为Li12Si7、Li7Si3和Li13Si4的锂硅合金在锂去除后形成层状产物，而化学比为Li22Si5的材料不形成层状产物。

与结晶硅材料相比，层状结构的非晶硅阳极材料的循环性能有了很大提高，50次循环后容量仍能保持在2000mAh/g以上。为了解释层状非晶硅材料优异的循环性能，Leyi Zhao测量了晶硅材料和层状非晶Si材料在完全充电状态下的体积膨胀，发现晶硅材料在完全带电状态下的体膨胀高达约241%，而层状非晶硅材料的体积膨胀率仅为135%左右，这主要是由于层状结构之间的空间较大，可以吸收锂嵌入时硅的体积膨胀。

然而，由于这种材料的层状结构，层与层之间的空间相对较大，约占整个材料体积的70%，这导致体积能量密度较低（704Wh/L），甚至低于锂钴氧化物石墨电池的体积能量密度（726Wh/L）。

非晶硅材料的循环性能明显优于晶硅材料。特别是当非晶硅材料具有层状结构时，层状结构之间的空间吸收了嵌入锂时硅材料的体积膨胀，这减少了材料颗粒的膨胀，提高了循环性能。然而，这也导致材料的低振实密度和使用该材料的电池的低体积能量密度。

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