高能量密度矽負極锂離子電池在儲能裝置中的關鍵
锂離子電池 (LIB) 是便攜式電子産品、電動汽車 (EV) 和可再生能源系統中使用最廣泛的儲能裝置。
矽 (Si) 因其高理論容量 (4200 mAh g-1) 和低放電電位（-0.4 V vs. Li/Li+）而被廣泛研究作為一種有前途的負極材料。
然而，矽基負極在锂化過程中會發生顯著的體積膨脹（高達 300%），進而導緻粉化、電接觸喪失，并最終縮短循環壽命。
為了解決這個問題，人們探索了各種方法來提高矽基負極的機械穩定性和電化學性能，包括納米結構化、表面改性和碳質材料的摻入。
矽負極的納米結構是減輕機械退化和提高矽基锂離子電池電化學性能的有效方法。已經使用各種技術制造了納米結構的矽陽極，包括球磨、化學蝕刻和靜電紡絲。
這些陽極中 Si 顆粒尺寸的減小可以适應锂化過程中的體積膨脹，而不會造成明顯的機械損傷。
此外，納米結構矽的高表面積可以增強電極與電解質的接觸并促進锂離子的傳輸，進而提高倍率性能和循環壽命。
研究最廣泛的納米結構矽陽極之一是矽納米線 (SiNW)。SiNW 可以通過多種方法合成，包括氣-液-固 (VLS) 生長、金屬輔助化學蝕刻 (MACE) 和靜電紡絲。
SiNWs 表現出優異的電化學性能，具有高比容量、快速充電/放電速率和長循環壽命。例如，直徑為 80 nm、長度為 5 μm 的 SiNW 負極在 1000 mA g-1 的電流密度下表現出 2500 mAh g-1 的比容量，并在 100 次循環後保留其初始容量的 80%。
除了 SiNW，還探索了其他納米結構的 Si 陽極，包括 Si 納米管、Si 納米顆粒和 Si 薄膜。這些納米結構 Si 陽極已顯示出良好的電化學性能，但它們的大規模生産和與商業 LIB 的內建仍然具有挑戰性。
表面改性是提高矽基負極穩定性和性能的另一種有效途徑。表面改性可以通過形成保護層來減輕機械降解并防止矽與電解質之間的直接接觸，進而提高矽負極的機械穩定性。
此外，表面改性還可以通過增強電極-電解質接觸和抑制固體電解質界面（SEI）層的形成來改善矽負極的電化學性能。
100 次循環後的容量，而未塗層的矽陽極在 50 次循環後顯示出快速的容量下降 (2)。碳塗層還可以通過增強锂離子擴散動力學來提高矽負極的倍率性能。
例如，塗有雙層碳殼的矽負極在 500 mA g-1 的電流密度下表現出 3000 mAh g-1 的比容量，并在 100 次循環後保留其初始容量的 86% (3)。
金屬塗層是已針對矽陽極探索的另一種表面改性技術。金屬塗層可以提供保護層，以減輕 Si 陽極的機械降解，并通過與 Si 形成合金來改善電極-電解質接觸。
在各種金屬中，鎳 (Ni) 由于其低成本、高機械強度以及與商業 LIB 的相容性而受到廣泛研究。與未塗覆的矽陽極相比，塗覆鎳的矽陽極顯示出改進的機械穩定性和電化學性能。
例如，塗有 20 nm Ni 層的 Si 陽極在 500 mA g-1 的電流密度下表現出 2400 mAh g-1 的比容量，并在 100 次循環後保留其初始容量的 76% (4)。
氧化物塗層是已針對矽陽極探索的另一種表面改性技術。氧化物塗層可以提供保護層，以減輕矽陽極的機械降解，并通過與電解質形成穩定的界面來改善電極與電解質的接觸。
在各種氧化物中，氧化鋁 (Al2O3) 由于其高機械強度、化學穩定性以及與商用锂離子電池的相容性而受到廣泛研究。
摻入碳質材料是提高矽基負極穩定性和性能的另一種有效方法。碳質材料可以作為緩沖層來減輕矽陽極的機械降解，并通過提高陽極的電導率和孔隙率來改善電極-電解質接觸。
此外，碳質材料還可以通過增強锂離子擴散動力學和抑制SEI層的形成來改善矽負極的電化學性能。
已經探索了各種含碳材料，包括炭黑、碳納米管、石墨烯和碳納米纖維。在這些材料中，石墨烯由于其高機械強度、導電性和大表面積而備受關注，基于石墨烯的矽陽極已顯示出改進的機械穩定性和電化學性能。
