研究背景
硅基负极材料具有比容量高、电压平台低、环境友好、资源丰富等优点，有望替代石墨负极应用于下一代高比能锂离子电池。但是硅的导电性较差，且在充放电过程中存在巨大的体积效应，极易导致电极极化、材料粉化、SEI膜重构、库仑效率低和容量持续衰减。硅和碳复合能很好地综合两者的优势，形成结构稳定、循环性好及容量高的负极材料。本文从不同维度的硅（SiNPs、SiNTs/ SiNWs、SiNFs、Bulk Si）与碳复合这一角度，综述了硅碳复合材料在结构设计、制备工艺、电化学性能等方面的最新研究进展，并对未来的硅碳复合材料的研究工作进行了展望。
重点内容导读
1.硅纳米颗粒（SiNPs）
硅的颗粒尺寸对电池的性能发挥起到了非常重要的作用。当硅的颗粒尺寸减小到150nm量级时，可极大缓解硅体积变化造成的巨大应力。同时，纳米硅可缩短Li+的传输距离，有利于改善材料的动力学性能。但纳米硅颗粒比表面积大，SEI膜易消耗过量的锂盐，且体积效应易引起颗粒之间产生电脱离，导致可逆容量和库仑效率降低。因此当硅含量较高时，采用碳对纳米硅颗粒进行复合，既可以增强体系的导电性，又可稳定其界面特性，从而提高其循环稳定性能。目前零维硅碳材料中的碳主要包括无定形碳（a-C）、碳纳米管（CNTs）、石墨烯（G）和石墨（graphite）等。通过纳/微结构设计，降低纳米硅/碳的比表面积，并缓解硅的电化学应力，有望得到高首效和长循环的硅/碳复合材料。
2 硅纳米管/纳米纤（SiNTs/SiNWs）
一维纳米硅（SiNTs/SiNWs）因其高轴径比，能够减小硅在循环过程中的轴向体积膨胀，径向较小的尺寸可有效避免硅的粉化和缩短锂离子的扩散距离，可在高倍率条件下充分释放容量，可展现出良好的电化学性能。但一维纳米硅制备成本往往太高，难以大批量生产，限制了一维纳米硅材料在电池上的应用。
3 硅薄膜（Si Film）
二维硅薄膜因厚度极小，在充放电过程中可将硅的体积变化最小化，而保持结构完整，改善循环稳定性；同时硅薄膜还可制备成自支撑结构，直接用作极片而减少非活性材料的比重，被认为是一种有潜力的纳米结构。但纳米硅薄膜大多采用磁控溅射的方法制备，目前其制作成本高，难以大规模量产。
4 微米硅（Bulk Si）
微米硅材料拥有高的压实密度和体积比容量，较低的比表面积，且成本低廉。微米硅包括块状微米硅和多孔微米硅。目前，制备多孔微米硅的方法主要有：SiOx歧化、镁热还原反应、金属辅助刻蚀法（MACE）和硅基金属合金刻蚀等。当制备成多孔结构时，可缓解硅的体积效应和有效避免颗粒粉化，但是多孔微米硅颗粒内部很难与碳复合形成高效的导电网络，且在循环过程中也会不断的发生SEI膜的破裂与重构，致使电池的不可逆容量增加，循环性能变差。氧化亚硅中硅纳米团簇被Li2O和硅酸锂等缓冲层包覆，具有较好的循环稳定性，但尚需要解决高载量下的首效问题。
结论
硅材料比容量高、电压平台低，被认为是下一代高比能锂离子电池的负极材料，而硅的导电性差和体积效应是限制其在高容量锂电领域进行商业化应用的最大障碍。为了兼顾能量密度和循环稳定性，近年来科研工作者使用各种不同的硅原材料，包括零维硅纳米颗粒、一维硅纳米管/硅纳米纤维、二维硅纳米薄膜和三维微米硅与不同的碳复合上展开了大量的研究工作，特别是在体积缓冲和导电网络结构设计方面取得了显著的成绩，硅碳复合材料的能量密度、动力学特性和循环稳定性均得到大幅提升。从量产的角度出发，零维纳米硅/碳复合材料和微米硅/碳复合材料比较容易实现规模生产。虽然目前氧化亚硅/石墨、纳米硅/石墨已经进入产业应用阶段，但容量仍然不是很高。提升硅/碳负极中的硅含量，开发容量大于500 mA·h/g以上的硅碳负极材料仍然存在诸多挑战，高容量硅碳复合材料的研究中尚需重点解决下列问题。
（1）通过材料的纳-微结构设计来提升硅碳材料的振实密度和压实密度，并确保高载量下的电极结构稳定性。
（2）在硅体积缓冲和导电网络结构设计的同时兼顾降低比表面积，或通过表面改性稳定SEI膜，减少首圈不可逆容量，循环中平均库仑效率大于99.8%。
（3）从实际应用出发，比容量在500～800 mA·h/g的硅碳复合材料即可满足下一代高比能锂离子电池需求，但目前已报道的硅碳复合材料的制备方法一般都比较复杂，难以应用于规模生产，简单可靠的高容量硅碳合成工艺有待进一步探索。
