原作者：Yi Cui，史丹佛大學材料科學與工程系教授，SLAC加速器實驗室光子科學教授。
編譯 / 文龍
矽（Si）的比容量大約是石墨的十倍，但它在後鋰離子電池（post-lithium-ion batteries）中作為陽極的應用面臨著巨大的挑戰。經過幾十年的發展，矽基電池現在正處於大規模商業成功的邊緣。而其低成本和高能量密度的特點，尤其適用於推動純電動汽車的發展。
矽（Si）作為潛在鋰電池材料的研究最早始於 1970 年代，當時，鋰（Li）金屬是早期可充電電池開發人員最喜歡的陽極（負極）。然而，用鋰金屬作陽極面臨著在迴圈過程中難以長時間保留鋰的嚴峻問題。因此，研究人員開始尋找可替代的陽極材料，這其中就有矽。
已知 Si 與 Li 可以形成合金，且預期 Li-Si 合金的 Li 保留問題比鋰金屬少。Sharma 和 Seefurther 率先在高溫熔鹽電解質中將Li-Si 合金負極與 FeS 2正極配對，證明了 Li-Si 合金作為電池負極的可行性。
1980 年代初期，Wen 和 Huggins 使用庫侖滴定法確定了 Li-Si 合金的各種組成成分，並從中確定了 Si的最大理論比容量為 4,200 mAh g –1，大約是如今主流的石墨負極鋰電池的 10 倍（370 mAh g –1）。
然而，這些 Li-Si 合金都是在高溫（415°C）下製備的，也正因如此，早期的 Li-Si 電池中經常使用熔鹽作電解質。在此期間，Li-Si 電池雖然具有重要意義，但缺乏實際用途。
1991 年，使用石墨負極和室溫有機液體基電解質的鋰離子電池成功商業化，促使研究人員將電解質的使用從高溫熔鹽轉變為室溫電解質。電解質的變化降低了運營成本，但阻礙了矽的最大比容量的實現。
但到 1995 年，Dahn 及其同事將 11% 的原子矽嵌入到石墨碳中，合成出 Si-carbon 複合電極，比容量達到 600 mAh g –1。1999 年，Chen 及其同事製備了矽奈米顆粒和炭黑的複合材料，並實現了 1,700 mAh g –1的比容量。
在這些早期探索之後，在2000 年代初，人們對探索矽奈米顆粒和微粒與導電碳的混合物產生了興趣，以提高矽基陽極的電化學效能，並製造主要用於鋰化基礎研究的薄膜。
Yi Cui他們開發了直接從金屬集電器上生長的矽奈米線陽極，這證明了高容量穩定迴圈。基於奈米線的概念，Cui於 2008 年創立了公司 Amprius Inc.，將矽陽極電池商業化。
在矽奈米線演示之後，大量研究探索了許多不同的奈米材料概念，包括核殼、空心和蛋黃殼奈米粒子、奈米管和奈米孔，用來克服機械故障問題並提高電化學迴圈的 SEI 穩定性。
除此以外，還開發了其他相關方法，例如，用於矽陽極的新型粘合劑和電解質。粘合劑需要具有足夠的粘附力以防止顆粒彼此分離以及與集電器分離，從而保持良好的電子傳輸；電解質需要形成有彈性的 SEI 以解決不穩定問題。
微米尺寸的矽顆粒也重新引起了人們的興趣，因為它們的成本遠低於奈米結構的矽。利用自修復聚合物粘合劑、新型電解質和堅固的石墨烯塗層可以顯著地改善微米顆粒的效能，但它們會在電化學迴圈過程中發生機械斷裂。
氧化矽也被實驗室作為替代的矽陽極材料進行了研究。由於矽原子位於氧原子矩陣內，體積膨脹得以減少。然而，由於一開始處於低庫侖效率，通常需要對 Si 陽極進行預鋰化。
電子顯微鏡掃描的Amprius矽奈米線陽極橫截面
例如，Amprius 已經展示了高達 450 Wh kg –1 的高比能量密度；另一種方法中較低的 Si 質量負載在能量密度方面沒有優勢，但可以提供其他優勢，例如更好的迴圈性。
除了 Amprius 之外，在開發矽陽極電池方面也有大量的企業在努力，包括BTR新材料集團、Enevate、Enovix、Nexeon、Shanshan、Shenzhen、Sila Nanotechnologies和Zenlabs Energy。特斯拉公司還在其 2020 年電池日透露，它將探索聚合物塗層的低成本冶金級矽。
在鋰離子電池商業化十多年後，隨著對矽陽極的深入研究，令人興奮的是，我們看到了矽正處於大規模商業應用的邊緣。在接下來的十年中，我們可以期待用於高能量密度和低成本鋰離子電池的矽陽極的大規模運用，特別是在電動汽車中的應用。
https://www.nature.com/articles/s41560-021-00918-2