纯硅无法做为负极，不仅是膨胀问题！

电池技术飞速发展的今天，硅作为负极材料的潜力正逐渐被发掘。早在20世纪70年代，人们就发现了锂（Li）与元素硅（Si）之间的电化学反应。

锂-硅合金（LixSi，0<x≤4.4）反应随着锂化程度的增加（即锂插入到活性主体材料中），反应电位降低。由于其出色的属性，硅作为下一代负极材料，吸引了学术界、工业界以及政策制定者的广泛关注。

1.为什么无法使用纯硅或者高含量硅？

硅的体积膨胀问题

纯硅和高含量硅负极的实际应用仍面临诸多挑战。首先，硅在完全锂化时体积变化超过280%，嵌锂过程相当于往干瘪的气球里面吹气，随着气体含量的增加，气球不断膨胀变大。脱出锂离子的过程则像是气球泄气，体积恢复到原来的状态。

然而硅是一种固体颗粒，并不像气球一样具有良好的弹性形变。硅颗粒在经过不断膨胀和收缩的过程，极其容易导致负极材料和电极层面发生严重的开裂和粉化，形成负极材料与电解液的新界面，对电解液的消耗和SEI厚度是消极影响。

硅的导电率问题

高纯度硅的电子导电性(<10⁻⁵S/cm)和锂离子在硅中的扩散率10⁻¹⁴—10⁻¹³cm²/s远低于石墨的电导率10–10⁴S/cm和离子扩散率10⁻⁹cm²/s。电子导电率会影响电子在负极材料上的传输，一个良好的导电网络则是重中之重。离子导电率则会是影响嵌入和脱出锂离子的过程，缩短传输距离，将硅做小变成纳米级颗粒成为早期材料开发的策略之一。

硅的改善路径其实与磷酸铁锂(LFP)非常像，同样是导电率差、导离子能力弱，LFP改善的手段是通过颗粒包覆导电碳和颗粒纳米化实现，但硅又由于它的体积变化大显得特殊。

2.硅与石墨结合成为“破壳”方案！

为了缓解与纯硅相关的挑战，将硅和石墨结合被认为是实现基于硅的高能量锂离子电池商业化的最有效策略。向硅材料中添加石墨能够缓冲整体复合电极的体积变化。在相对低的硅含量（约20%）下，形成固态电解质界面（SEI）的主要反应位点是由石墨颗粒提供的。向硅中添加石墨还提高了电极的扩散性，并改善了电极制造中的可加工性，从而实现更高的能量密度。

硅和石墨的共同利用可以视为石墨的替代技术，即采用现有的合成工艺，建立商业化生产线，从而实现高制造能力。对现有石墨基锂离子电池技术进行边际投资，能够加速了硅-石墨负极的大规模部署，而不会破坏已建立的生产线。

3.复合电极面临的问题

电池制造商已经引入了少量的硅(<6-8wt.%),但由于体积变化引起的SEI失效、电解质分解加速和干涸等问题。高含量的硅仍然是一个严重的障碍，只能通过对各种参数的协同优化来实现，包括与石墨和硅化学兼容的聚合物粘合剂、功能性添加剂、预锂化、表面功能化、保护涂层等单个材料（即石墨、硅）及其物理混合/复合材料具有不同的特性和失效机制，需要开发不同的诊断方法。