导读

为满足对高能量密度锂离子电池日益增长的需求，硅基负极因其超高重量容量（4200 mAh·g⁻¹）成为下一代负极材料的有力候选者。然而，硅基负极研发面临重大挑战，尤其是循环过程中严重的体积膨胀会导致容量快速衰减，极大阻碍了其商业化进程。尽管大量研究聚焦于缓解体积变化和构建稳定的固态电解质界面，但实际应用中的关键指标——体积容量——常被忽视。硅基负极若要替代传统石墨负极，必须对其体积容量进行全面评估。决定体积容量的关键因素包括质量容量、活性物质质量比、初始库仑效率、电极膨胀率和N/P比。本文系统分析并详细讨论了这些因素，指出了现有策略的共性问题，并展望了硅基负极商业化研究的未来方向。本研究为有效改进和设计硅基负极提供了系统且新颖的视角，旨在推动下一代高能量密度锂离子电池的大规模工业化。

Cite this article：Cheng Y, Guo Z, Zheng C, et al. Revisiting the core problem impeding the commercialization of silicon-based lithium-ion batteries. Energy Materials and Devices, 2025, 3(1): 9370055. 

DOI：https://doi.org/10.26599/EMD.2025.9370055

背景介绍

硅基负极的商业化进程面临三大核心挑战：体积膨胀效应：硅在充放电过程中经历高达300%的体积变化，导致电极结构粉化失效；界面不稳定性：反复体积变化破坏固体电解质界面膜（SEI膜），持续消耗电解液；导电网络退化：活性物质与导电剂接触失效，造成极化加剧。当前研究主要聚焦于纳米结构设计（如中空/多孔结构）和复合体系构建（硅碳复合材料），但往往忽视了产业化最关键的体积容量指标。

图文介绍

体积容量的五个决定因素包括质量容量、活性物质质量比、初始电极密度、电极膨胀率和N/P比。其计算公式如下

Volumetric capacity =  (1)

本文依次探讨了提升或降低这些因素的策略，并详细比较了具体数值。此外，还介绍了高体积容量硅基负极在全电池中的应用，讨论了影响其大规模商业化的其他因素及未来研究方向，为下一代LIBs的硅基负极研发提供了重要建议。

图1 高体积容量硅基负极设计方案

图2 提高硅基负极重量容量的策略示意图，包括：（a）SGC混合材料的制备过程；（b）μ-Si/CNT复合网络材料；（c）PR-PAA粘结剂的力消散原理；（d）Si|SSE|NCM811全电池中μ-Si负极锂化机理

图3 提高硅负极活性物质质量比的策略。（a）双组份和传统三组分电极的方案；（b）包含质量比为80%SiNPs和20%PEDOT：PSS在1 A g^-1电流密度下的循环稳定性；（c）干燥法制备WMGO的方案；（d）Si (7 μm)-WMG_H和WMG_M负极在2 C下的循环性能

图 4 通过蛋黄壳核壳结构和微米级电极设计提高初始电极密度的策略。（a）核壳结构Si@TiO₂的合成示意图；（b）SiNPs智能组装成“石榴型”硅的示意图；SGC复合材料的结构（c）和制备过程（f）；（e）AMPSi@C的制备示意图

图5 通过界面修饰和表面工程优化硅基负极的初始电极密度。（a）硬碳封装SiMPs负极的示意图和（b）半电池、（c）全电池循环性能；（d）SiO_x/C凝胶的合成示意图。

图 6 各种硅基材料的压实密度

图 7 降低电极膨胀率的策略。如多孔硅/碳-石墨电极的设计（a-b）和多尺度缓冲工程（c-d）

图 8 未来硅基负极研究的前景与要求，包括创新结构、材料兼容性、失效机制和实际应用考量

总结与展望

过去十年，研究人员为提高硅基负极的体积容量付出了巨大努力，包括提升质量量容量、活性物质质量比和初始电极密度，同时降低电极膨胀率和N/P比。尽管已取得进展，硅基锂离子电池的商业化仍面临诸多挑战：体积容量和能量密度不足，目前硅基电池的最高体积能量密度约为1000 Wh·L⁻¹，但大多数研究结果远低于此值；结构复杂性，多孔等复杂结构易坍塌，且与工业化生产中的压延工艺不兼容；制备方法的局限性，实验室规模的硅基负极合成方法可分为“自上而下”（如机械球磨）和“自下而上”（如化学气相沉积，CVD），但部分方法成本高昂且难以规模化，制约了实际应用；失效机制尚未完全阐明，高负载条件下硅基负极在全电池中的失效机理仍需深入研究。

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