一、三元NCA硅碳材料體系
鎳鈷二元材料具有電壓高、能量密度高、成本相對低廉等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是其耐過充能力差、熱穩(wěn)定性差、首次放電不可逆、容量高等缺陷大大限制了鎳鈷二元材料在動力電池領(lǐng)域中的使用。在鎳鈷二元材料中摻雜少量的鋁之后得到的三元鎳鈷鋁（NCA）材料能顯著改善鎳鈷二元材料的穩(wěn)定性和安全性，降低鎳錳二元材料的成本，而且三元NCA材料同時具有高比容量和高能量密度使其成為動力電池領(lǐng)域的新貴。雖然NCA的比容量高，但是和石墨負(fù)極組裝成電池后，其能量密度還是很難大幅度提高，找到一種高電池容量的負(fù)極材料和NCA三元正極匹配才能有效地將電池的單體能量密度提高到300Wh/kg以上。
在石墨負(fù)極摻雜其他元素或者化合物能顯著提高石墨負(fù)極的容量和電化學(xué)性能，其中硅的儲鋰?yán)碚撊萘渴鞘萘康?0倍以上，可以達(dá)到4 200mAh/g，是所有可以提高石墨負(fù)極的摻雜元素中理論容量最高的。另外硅的安全性能優(yōu)于石墨負(fù)極材料，這是因?yàn)楣璧碾妷浩脚_高于石墨，所以在充放電過程中硅表面不容易析鋰，從而提高電池的安全性。同時作為自然界最豐富的元素之一，硅的來源廣、制作成本低。三元NCA硅碳材料體系由于其在能量密度上的獨(dú)特優(yōu)勢受到越來越多電池制造廠家和材料研究者的重點(diǎn)關(guān)注。
二、硅碳材料體系面臨的問題
雖然NCA硅碳體系具有其他正負(fù)極體系無法比擬的能量密度優(yōu)勢，但是硅材料在循環(huán)過程中快速的容量衰減嚴(yán)重阻礙了實(shí)用化進(jìn)程[5，6]。這是因?yàn)樵诔潆娗朵嚭螅瑫构柙拥捏w積膨脹到原來的3倍以上，從而破壞硅原子表面原來的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），使活性物質(zhì)從集流體上脫落下來，快速降低電池的容量和循環(huán)性能[7]。此外，在充放電過程中始終伴隨著SEI膜的重生破壞，導(dǎo)致鋰離子和成膜添加劑在活性物質(zhì)表面不斷被消耗，無法形成穩(wěn)定的SEI膜，導(dǎo)致充放電效率降低，容量衰減加劇。另外由于硅本身電導(dǎo)率低，需要加導(dǎo)電劑提高電極的電導(dǎo)率[8]。如何解決硅材料體積效應(yīng)帶來的若干問題，提高硅材料的循環(huán)性能和電導(dǎo)率已刻不容緩。
三、硅材料的納米化
通過制作工藝和形貌能夠改善硅材料的電化學(xué)性能，將單質(zhì)硅負(fù)極材料制造工藝納米化能夠顯著提高硅材料的性能。納米化包括零維、一維和二維納米化。零維納米化后的硅材料能細(xì)化硅納米顆粒，減弱硅在脫鋰和嵌鋰過程中的體積變化，但是納米顆粒化的硅材料由于尺寸過小，容易二次成形為大顆粒，降級電極的容量；并且硅納米顆粒大的比表面積會消耗大量的鋰離子和添加劑而導(dǎo)致電池副反應(yīng)增多，庫倫效率下降，最終導(dǎo)致循環(huán)性能下降。
一維納米化主要是硅納米線及硅納米管，硅納米線能減少循環(huán)過程中徑向體積膨脹，并為軸向鋰離子的快速傳輸提供大量的空間和通道，從而能夠貢獻(xiàn)出極高的容量和優(yōu)異的循環(huán)性能，但是其成本太高限制了一維納米硅在電池上的應(yīng)用。硅納米級薄膜作為二維納米化負(fù)極材料具有高3 500mAh/g的超高可逆容量，但是納米薄膜采用的磁控濺射等方法，由于制作成本高，因此無法大規(guī)模量產(chǎn)[9]。
為了降低納米硅材料的制作成本，同時穩(wěn)定硅材料的表面SEI膜，許多本征導(dǎo)電性優(yōu)良的材料已經(jīng)用來與硅材料復(fù)合。在所有的這些材料中，碳材料不僅能提高硅基陽極的電導(dǎo)率，還能穩(wěn)定陽極表面的SEI膜。但是任何單一的碳材料或者硅材料都不能同時滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對能量密度和循環(huán)壽命這2個重要的指標(biāo)的需求。鑒于硅和碳屬于同一主族，化學(xué)性能相近，這使得兩者之間通過不同途徑的復(fù)合變得更容易。復(fù)合后的硅碳材料能夠?qū)烧叩膬?yōu)勢互補(bǔ)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，得到比容量和循環(huán)密度都顯著提高的新型復(fù)合材料。
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