硅基负极的容量衰减机理
硅不具有石墨基材料的层状结构，其储锂机制和其他金属一样，是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的，其充放电电极反应可以写作下式：
根据硅的脱嵌锂机理，可以把硅的容量衰减机制归纳如下：
(1)在首次放电过程中，随着电压的下降，首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的结构。随着嵌锂深度的增加，锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金，最终以Li15Si4的合金形式存在。使得体积膨胀为原来的三倍，导致硅电极的结构破坏，活性物质与集流体之间失去电接触，抑制了锂离子的脱嵌，从而造成巨大的不可逆容量。
(2)，随着脱嵌锂过程的进行，硅表面的SEI膜越来越厚。由于SEI的形成会消耗锂离子，因而造成了较大的不可逆容量。另一方面，较厚的SEI还会造成较大的机械应力，对电极结构造成进一步破坏。
(3)不稳定的SEI膜层还会使得硅及硅锂合金与电解液直接接触而损耗，造成容量损失。
硅基负极材料类型
包覆型硅基负极：包覆型硅基负极材料将不同纳米结构的硅材料进行碳包覆，这类材料以硅为主体提供可逆容量，碳层主要作为缓冲层以减轻体积效应，同时增强导电性，碳包覆层通常为无定形碳。常见的有核壳型结构，多孔型结构。
核壳结构的构建;为硅的体积膨胀提供空间或者将其限制在一定空间内。它是以硅颗粒为核，在核外表面均匀包覆一层碳层。碳层的存在不仅有利于增加硅的电导率，缓冲硅在脱嵌锂过程中的部分体积效应，还可以最大限度降低硅表面与电解液的直接接触，进而缓解电解液分解，使整个电极的循环性能得到提高。
上海交大胡国新课题组近日发表的文章通过构建核壳结构，文中提出的策略主要是通过改变颗粒的接触方式并通过填充Si颗粒之间的间隙来增加颗粒的表面接触来实现应力管理策略。在膨胀过程中，颗粒的表面通过填料的相互挤压而受到均匀的压缩应力，这减少了由于应力集中引起的裂纹问题。其中，填料应具有Li+和电子的双重扩散路径性能。在此基础上，建议用壳层覆盖Si表面，以进一步使Si表面上的应力更均匀。
负载型硅基负极：负载型硅基负极材料通常是在不同结构的碳材料（如碳纤维、碳 纳米管、石墨烯等）表面或内部，负载或者嵌入硅薄膜、硅颗粒等，这类硅碳复合材料中，碳材料往往起到结构支撑的力学作用，它们良好的机械性能有利于硅在循环中的体积应力释放，形成的导电网络提高了电极整体的电子电导率。
分散型硅基负极：分散型硅基负极材料是一种较为宽泛的复合材料体系，包括硅与不同材料的物理混合，也涵盖硅碳元素形成分子接触的高度均勻分散复合物体系。事实证明将硅材料均匀分散到碳缓冲基质中，可以一定程度抑制硅的体积膨胀。
硅碳负极材料：将纳米硅与基体材料通过造粒工艺形成前驱体，然后经表面处理、 烧结、粉碎、筛分、除磁等工序制备而成。目前商业化应用容量在 450mAh/g，600mAh/g，成本较低，虽然首效相对较高，但循环寿命较差，主要用于 3C 数码领域。
硅氧负极材料：将纯硅和二氧化硅合成一氧化硅，形成硅氧负极材料前驱体，然后经粉碎、分级、表面处理、烧结、筛分、除磁等工序制备而成。目前商业化应用容量主要在 450-500mAh/g，成本较高，虽然首效相对较低，但循环性能相对较好，主要用于动力电池领域，特斯拉有使用硅氧负极掺混人造石墨方式应用。
硅纳米线复合负极材料
目前已经有研究者在研究，纳米线的电化学储能应用挑战也相当明显：其高比表面积的负面作用是界面反应也得到了促进，降低了库伦效率和循环寿命；充放过程中易团聚，提高了内部阻抗，降低了电极容量；压实密度低，体积能量密度低；保持产品均匀一致性的合成手段复杂，大规模低成本合成仍需要探索等。和块体材料相比，比表面积大，有利于电解液和电极的有效接触，缩短充放电时间阈值；缩短电子输运、离子扩散距离，提升电池容量和倍率；协助实现其他功能，如无集流体、自支撑等。
总结
能源革命的中枢，其关键养分来源于电池产业链，不论这个革命的进程是顺风顺水，还是充满曲折。任何产品及器件的源头都是材料，它就是本源。
在硅基负极的产业化上，宁德时代获得了行业性的突破，贝特瑞占据了硅碳负极材料的行业高地，璞泰来厚积薄发，杉杉科技积极推进，星城石墨后来居上、斯诺占据优势地域、正拓积极布局，昱瓴新能源等也都在积极推进硅碳负极的产业化。材中有硅系，一朝出山震学界。弱水三千，独独娇宠。
Carbontech 2020“碳基储能论坛”，汇聚行业最新动态，企业最新进展，产业最新技术，科研最新成果，将于11月17日-20日在上海国际会展中心举办，论坛以碳材料在储能领域的研究与应用为基点，对碳基材料的设计与合成、储能相关关键材料和技术、能量转换与器件进行交流与研讨，开展产业论坛、技术交流、成果展示、产品推介等活动，为参会代表及相关单位提供和搭建交流平台和推广机会，共同探讨碳基储能材料、技术和应用的未来。
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