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本文主要總結了矽碳複合技術的研究進展，包括矽/石墨複合材料、矽/無定型碳複合材料、矽/碳納米管複合材料和矽/石墨烯複合材料4個方麵。

碳材料是矽基複合材料首選的活性基質之一，主要是因為碳材料的導電性能良好、體積變化小，此外，碳材料質量輕，來源豐富。矽材料包覆碳以後，可以增強材料的導電性能，避免矽納米顆粒之間的團聚以及材料的體積膨脹，且碳表麵可以形成一層比較穩定的、光滑的固體電解質界麵膜，從而增長循環壽命，提高倍率性能。

一、矽/石墨複合材料

石墨作為結構緩衝層，同時在充放電過程中石墨可以容納巨大的體積變化。Wu等采用高能機械球磨製備了特殊結構的矽石墨複合材料，矽石墨複合材料展現出優異的循環性能，在237mA/g電流密度下，0.03～1.5V電化學窗口，首次可逆容量為1592mAh/g，並且具有良好的倍率性能。

Su等利用噴霧幹燥和熱處理工藝製備了石墨烯包覆矽石墨複合材料，該複合材料具有優異的電化學性能，在50mA/g電流密度下，首次充電容量為820.7mAh/g，首次庫倫效率為77.98%；在高電流密度500mA/g條件下，首次可逆容量仍高達766.2mAh/g，並且展現出優異的循環和倍率性能。

Zhang等利用高能球磨製備了Si-Co-C複合材料，電化學測試表明：首次充放電容量分別為1068.8mAh/g和1283.3mAh/g，首次庫倫效率為83.3%。經過25次循環後，可逆容量為620mAh/g，經過50次循環後，可逆容量仍然穩定在600mAh/g以上。

Jeong等利用水熱碳化法合成了碳包覆矽石墨複合材料，顯示出優異的電化學性能，比容量高達878.6mAh/g，經過150次循環，容量保持率為92.1%。碳層有利於電子的轉移，同時，可以作為充放電過程中矽體積效應的緩衝層。

Su等通過液相凝固和熱解法製備了碳包覆矽石墨複合材料，複合材料具有優先的電化學性能，高的首次可逆容量，首次庫倫效率為73.82%，40次循環後，容量保持率仍然在80%以上。

二、矽/無定型碳複合材料

在納米矽顆粒表麵鍍一層很薄的非晶態碳膜，可以改善固態電解質界麵膜的形貌，Datta等研究表明：在0.02～1.2V電化學電壓窗口下，在0.25C電流密度下，在矽表麵鍍上一層碳膜後，可逆容量可以上升700mAh/g。在0.3mA/mg的電流密度下恒電流充放電，碳包覆矽複合材料的容量可以達到1000mAh/g。

研究表明：在充放電過程中，複合材料中的納米矽粒子趨向於團聚，矽粒子的團聚會導致充放電動力學性能較差。為了改善充放電過程中矽的團聚，Kwon等合成了碳包覆矽量子點，這種結構材料的首次充電容量為1257mAh/g，庫倫效率為71%。矽量子點沿著碳層均勻的分布有利於防止充放電過程中的團聚現象。

Magasinski等采用一種層狀自下而上自組裝技術製備樹枝狀結構碳包覆矽納米粒子，在0.5C電流下，可逆充電容量達到1950mAh/g。樹枝狀結構碳作為一種網狀導電結構有利於電子的有效傳導，並且為納米矽的體積膨脹提供合適的空洞。

綜上所述，在矽表麵包覆一層非晶態碳後，矽碳複合材料得到了顯著的改善，這是由於碳層可以增強材料的導電性能，避免矽納米顆粒之間的團聚以及材料的體積膨脹，且碳表麵可以形成一層比較穩定、光滑的固體電解質界麵膜，從而增長循環壽命，同時提高倍率性能。

三、矽/碳納米管複合材料

在所有的一維碳質材料中，碳納米管作為添加劑用於改善矽基材料的電化學性能備受關注。納米矽顆粒沿著碳納米管均勻分布可以優化矽的電化學性能。將10nm的矽粒子沉積在直徑為5nm的碳納米管上，得到的複合材料可逆容量高達3000mAh/g（電流密度1.3C）。Li等合成了矽/碳納米管/碳複合材料，碳基體可以緩解矽的體積效應，沿著軸向為電荷轉移提供連續的路徑。碳納米管可以改善複合材料的電子電導率和電化學性能。

Park等通過化學氣相沉積法製備了多層碳納米管包覆納米矽離子複合材料，大量粒徑為50nm矽顆粒密集地分布在多層碳納米管之間的孔隙空間，複合材料具有很高的容量和容量保持率，在840mAh/g的電流密度下，經過10次和100次循環後，容量分別為2900mAh/g和1510mAh/g。此外，複合材料具有優異的倍率性能。複合材料具有優異的電化學性能主要是：在脫嵌鋰過程中，多層碳納米管可以提供有效電子傳輸路徑，同時緩解納米矽顆粒的體積效應。

研究表明：將矽納米粒子附著在碳納米線上也可以顯著改善矽的電化學性能，在碳化過程中，矽納米粒子錨定在碳納米線上，矽與碳之間具有很強的相互作用，在500mAh/g電流密度下，該負極材料具有2500mAh/g的比容量，50次後，具有較高的容量保持率。由於碳納米線基體具有類似於聚合物的彈性，這進一步減輕了在充放電過程中，由於矽體積變化產生的應力。

四、矽/石墨烯複合材料

石墨烯由於其優異的導電性能，可以應用於麻豆激情视频播放材料中，改善麻豆激情视频播放的電化學性能。通過超聲方法和鎂熱反應來製備矽石墨烯複合材料。首先合成二氧化矽粒子，然後通過超聲沉積在氧化石墨烯的表麵，接著，利用鎂熱反應原位還原二氧化矽成納米矽，並且附著在石墨烯表麵。通過優化比例，得到的附著在石墨烯表麵的納米矽粒徑為30nm。含矽量為78%的矽石墨烯複合材料的首次可逆容量為1100mAh/g，充電電流密度從100mAh/g增加到2000mAh/g，再回到100mAh/g，隻有少量的容量衰減。

Ren等使用氯矽烷為矽源，利用化學氣相沉積工藝把矽粒子沉積在石墨烯表麵。在充放電過程中，矽石墨烯複合材料展現出很高的矽利用率，500次循環後，容量保持率為90%。Li等製備了石墨烯碳包覆納米矽複合材料，石墨烯和碳層能起到雙層保護作用，從而改善矽在充放電過程中的電化學性能。該複合材料在300mA/g電流密度下，100次循環後，可逆容量仍達到902mAh/g。該研究提供了一種改善鋰離子電化學性能的途徑，通過使用石墨烯作為支架附著活性物質，並且以碳層作為保護層。

Wen等利用噴霧幹燥器製備了特殊結構的石墨烯包覆矽複合材料。矽被石墨烯包覆，在0.1C電流密度下，該材料充電比容量為2250mAh/g，120次充放電後，容量保持率為85%。具有缺陷的石墨烯殼可以快速的脫嵌鋰，具有優異的電子傳導率，並且防止在充放電過程中，納米矽粒子的團聚。由於石墨烯具有較好的機械性能，石墨烯殼內的空間能夠有效地緩解矽的體積膨脹。

Sun等通過放電等離子體輔助球磨製備了矽石墨烯複合材料，納米矽粒子均勻的嵌入石墨烯基體中，快速加熱等離子體和機械球磨使得納米矽粒子原位嵌入石墨烯基體中，可以有效地阻止納米矽的團聚，改善電子導電率。矽石墨烯複合材料的循環穩定性和倍率性能得到了改善，在50mA/g電流密度下，可逆容量可以穩定在976mAh/g。

Lee等合成了在三維網狀石墨烯上具有良好分散性矽的複合材料，納米粒子與石墨烯緊密接觸可以改善電化學性能。矽石墨烯複合材料表現出很高的比容量和循環穩定性，200次循環後，可逆容量仍然大於1500mAh/g。

Wang等研究表明：石墨烯納米片可以顯著改善多孔單晶矽納米線的電化學性能。石墨烯作為導電添加劑，納米片覆蓋了大量的納米線，為電荷轉移提供了大量位置。交錯的石墨烯納米片可以為電子和鋰離子的轉移提供大量的路徑，從而改善導電性和鋰離子擴散速率。矽石墨烯複合材料的首次充電容量為2347mAh/g，20次容量保持率為87%。Sun等的研究也表明：石墨烯納米片包覆矽納米複合材料具有優異的循環壽命和很高的容量。

盡管上述研究取得了進步，但是，核心問題是碳與矽的較弱結構界麵，在脫嵌鋰過程中，碳和矽的體積變化不一致，這使得複合材料很容易快速分層，特別是在高充放電倍率情況下。

五、結語

矽基材料由於其理論比容量高，可作為鋰離子麻豆激情视频播放負極材料，但是在充放電過程中存在巨大的體積效應，導電率低和循環壽命不理想等缺點，阻礙了其商業化應用，但是不可否認該材料具有很大的應用前景。最大程度降低首次不可逆容量，緩解材料的體積膨脹，從而改善倍率和循環性能是科學家研究的重點。目前，最為有效且研究最為廣泛的是矽/碳複合材料。

筆者認為將來對矽基材料的研究應從以下幾個方麵開展：1結合矽的納米化和矽碳複合來緩解矽的體積膨脹，提高倍率和循環穩定性；2製備多孔結構矽/碳複合材料，利用多孔導電性和網狀結構，緩解體積效應，提高倍率和循環性能；3開展理論計算和模擬工作，定量分析矽的體積膨脹率和碳質材料的彈性等。

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