硅基材料由于其高理論容量、低成本和合理的氧化還原電位，已顯示出作為下一代鋰離子電池陽極的巨大潛力。盡管它們具有許多有用的特性，但有兩個主要挑戰(zhàn)阻礙了它們的廣泛應用，即電荷誘導的體積膨脹和不穩(wěn)定的SEI生長。在這篇綜述中，作者介紹了硅基電極在實際應用中的合理設計面臨的主要挑戰(zhàn)和最新進展。首先，對基礎電化學和選定的關鍵挑戰(zhàn)進行了全面討論。指出的挑戰(zhàn)包括大體積膨脹、不穩(wěn)定的SEI生長、低面積/抽頭容量、低初始CE、反應動力學緩慢以及Li枝晶形成。其次，應用納米結構構建、表面/界面工程、整體電極穩(wěn)定性設計和新型粘合劑/電解質(zhì)的原理來克服已確定的挑戰(zhàn)。

在各種硅基材料中，硅及其化合物SiO是研究最多、最有前途的下一代儲能器件候選材料。為了加速硅基陽極的商業(yè)化，應考慮幾個方面。

成本

硅基材料制造成本嚴重阻礙了硅基陽極的商業(yè)化。

商用5-10 wt%硅/石墨復合陽極成本≈2萬美元噸?1，是人造石墨的兩倍。同樣，基于硅/石墨復合材料的鋰離子電池的成本超過0.2美元Wh?1，這是基于石墨的LIB的兩倍（通常約為0.1美元Wh?1），球磨和噴霧干燥/噴霧熱解是相對容易和可擴展的硅/石墨復合材料制備技術，但目前成本仍然過高。迫切需要開發(fā)具有成本效益的原材料和簡單的制造程序，以將工業(yè)級硅基陽極的成本降低到0.2 Wh以下?1促進其實際應用。

粒徑與tap密度/體積能量密度之間的關系

將粒徑減小到納米級可以有效避免粉碎，抑制體積變化，減少鋰離子的擴散距離，提高電化學反應速率。

不幸的是，納米顆粒固有的大比表面積導致副反應增加、不可逆容量損失和CE減少。此外，創(chuàng)建的粒子間空間會導致低抽頭和體積能量密度。為了在避免挑戰(zhàn)的同時獲得納米顆粒的優(yōu)勢，我們提出了納米和復合策略的混合組合。通過將多孔微尺寸的硅和碳復合材料配對，可以提高tap/體積能量密度、CE和循環(huán)穩(wěn)定性。這種獨特的結構設計原理也適用于其他高容量材料，如錫和鍺。III高性能和循環(huán)穩(wěn)定性電流LIB技術之間的矛盾無法滿足300 Wh-kg以上能量/功率密度不斷增長的需求?1。目前，商業(yè)化含硅鋰離子電池的硅含量通常較低（<10 wt%）。增加Si的比例可能導致能量密度增加，但也會導致較差的循環(huán)穩(wěn)定性和安全問題。因此，在硅比、高性能和循環(huán)穩(wěn)定性之間找到適當?shù)钠胶馐钱攧罩薄?/p>

安全問題

安全問題是表征不同類型電池性能的最重要參數(shù)之一。在LIBs中，顯著的體積膨脹、不穩(wěn)定的SEI生長和電解質(zhì)分解可導致嚴重的鋰樹枝晶形成，從而導致短路和電池爆炸。使用固體電解質(zhì)的固態(tài)電池是解決這一問題的一個很有希望的候選者，并且可以靈活地合成以為便攜式/可穿戴電子設備供電。目前，固態(tài)電池的導電性和離子導電性太低，無法大規(guī)模生產(chǎn)。這項不成熟的技術應迅速推向?qū)嶋H應用，以滿足電動汽車、混合動力汽車和便攜式電子設備的高能量需求。

文章DOI: 10.1002/adma.202004577

經(jīng)過多年的探索，人們發(fā)現(xiàn)用硅完全取代石墨是不現(xiàn)實的短期戰(zhàn)略。然而，硅和石墨之間的協(xié)同效應還可以進一步利用，因為混合電極不僅可以提供更高的鋰存儲容量，還可以表現(xiàn)出更長的循環(huán)穩(wěn)定性，從而綜合了硅活性材料和石墨基體在容量改善和電極完整性增強方面的貢獻。因此，在過去幾年中，為了滿足各種應用的要求，人們在制備硅石墨陽極方面做出了巨大的努力。本文綜述了近年來硅石墨陽極的研究進展，并提出了今后的發(fā)展趨勢。

作者系統(tǒng)地綜述了石墨/SiOx、石墨/Si-M、石墨/納米硅、石墨/微硅等硅-石墨復合材料的合成方法、儲鋰性能及其應用。特別是，首次將石墨/納米硅復合陽極分為三種不同的結構，即西瓜狀結構、核殼結構和準三明治結構。

關于硅源，在實際生產(chǎn)中選擇硅前驅(qū)體時，成本問題日益突出。通常，體硅（大于10μm）比納米硅便宜10倍左右。值得注意的是，經(jīng)過合理的孔隙率工程和微觀結構改造后，其抽頭密度和電化學性能仍能滿足要求。[160]此外，粘土礦物是另一種低成本的硅源，已用于形成3D多孔硅、2D硅片和0D納米硅。天然埃洛石粘土甚至可以用作超細納米硅的前驅(qū)體。

對于硅材料的工業(yè)生產(chǎn)，可擴展性和批到批

一致性非常重要。為了提高稠度，具有高度一致孔隙結構和全球大量（2016年為9600萬噸）的稻殼顯示出巨大潛力，可被選為可伸縮硅候選者，因為二氧化硅約占總重量的20 wt%。商用硅合金，如鐵硅合金和鋁硅合金，考慮到通過簡易酸蝕獲得的微型多孔硅可以保持良好的抽頭密度、優(yōu)化的SEI膜和可靠的一致性，也被認為是迄今為止最有希望的硅基陽極候選者之一。

具有高負載水平和面積容量的電極在進一步的工業(yè)生產(chǎn)中至關重要。

經(jīng)過幾年的嘗試，電池級能量密度達到約250 Wh kg-1，價格為200至300美元kWh-1。實現(xiàn)美國能源部車輛技術辦公室（350 Wh kg-1和125 US$kWh-1）預計的目標

2022年，除了探索具有增強容量的新電池化學物質(zhì)外，電池中電化學活性材料的比例應顯著增加。使用厚電極是在設備層面最大化活性成分比例的合理方法，因此，增加了電池的能量密度，降低了成本。然而，也應密切關注挑戰(zhàn)，如由于電荷轉(zhuǎn)移距離增加而導致的反應動力學惡化。

電化學預鋰化、添加劑誘導預鋰化和機械預鋰化。在SLMP基預鋰化中，碳酸鋰包覆的鋰粒子最初分散在硅基陽極中。

許多研究表明，瀝青是一種復雜的聚合物混合物，由于其成本低、含量豐富且易于封裝，因此優(yōu)先作為硅石墨電極組件的粘結劑聚合物。

因此，硅-石墨基陽極具有良好的完整性、可接受的成本、易于制造和可靠的儲鋰能力，是滿足日益增長的能源需求的有希望的候選材料。盡管近年來取得了顯著的進步，但不可忽視的瓶頸仍然存在，需要給予更多的關注。隨著世界范圍內(nèi)研究人員有目的地、持續(xù)地開展研究，先進的LIB肯定能夠獲得令人滿意的儲能性能。

文章DOI: 10.1016/j.ensm.2020.11.028

可充電鋰電池在我們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。因此，開發(fā)大容量二次鋰電池已成為研究熱點。在過去的十年中，硅因其極高的比容量而被廣泛用作鋰離子電池的負極材料。不同形式的碳以不同的方式改善硅材料的電化學性能。先進的表征技術進一步驗證和解釋了碳材料對硅性能改善的貢獻。硅碳復合材料有望成為下一代商用鋰電池的負極材料。

1、合成Si/C復合材料可以采用多種方法。CVD和靜電紡絲方法通常用于制備一維碳納米纖維和碳納米管；Hummer的方法主要用于從石墨制備2D石墨烯片，CVD或熱處理用于在Si表面涂覆3D碳。

2、原位表征技術在實時觀察電化學加工過程中的結構、機械和化學變化方面具有無可比擬的優(yōu)勢，因此比原位表征更具洞察力。然而，與非原位表征技術相比，原位表征的成本更高。此外，操作過程中設備和樣品損壞的風險增加。許多類型的碳前驅(qū)體可用于制備Si/C復合材料。其中一些化學物質(zhì)對環(huán)境和人體有害，包括甲烷和甲苯。因此，鼓勵使用無毒碳源。合成碳材料的質(zhì)量在很大程度上取決于碳源，因此是另一個重要的考慮因素。在合成碳材料的各種碳源中，必須進一步開發(fā)無毒、低成本和高質(zhì)量的碳前體。由于Si/C復合電極的容量主要取決于其Si組分，因此應優(yōu)化Si顆粒與碳材料之間的接觸。更強的物理接觸有助于電化學接觸，在重復電化學循環(huán)過程中必須保持這種接觸，以確保保持電極的導電性。

在這些電極材料中，不可避免地會形成孔隙空間，即電極中的孔隙和結構中的孔隙?？障犊臻g的受控設計可提供空間，以容納Si體積膨脹和收縮產(chǎn)生的應力。因此，電極材料從電極上的損失最小化。此外，適當?shù)目障犊臻g可確?；钚圆牧系淖罴沿暙I，進而確保穩(wěn)定的高性能。如果孔徑過大，SEI會在循環(huán)時積聚在孔隙內(nèi)，從而抑制離子滲流。因此，應小心控制孔徑和數(shù)量。增加Si/C重量比可以提高Si/C電極的總體積容量，但必須確保其他變化不會影響Si性能。為了商業(yè)應用，電極的性能必須最大化和穩(wěn)定化，并且應根據(jù)不同的碳材料和結構設計優(yōu)化Si/C比。

文章DOI: 10.1016/j.ensm.2020.10.026

該文綜述了多孔石墨烯作為超級電容器電極的研究進展。討論了制備多孔石墨烯的各種合成方法及其影響其電化學性能的合成參數(shù)。此外，還闡述了雜原子共摻雜對多孔石墨烯電化學性能的增強作用。此外，還綜述了使用各種碳材料、金屬氧化物和導電聚合物的多孔石墨烯基二元和三元復合材料。除了超級電容器外，多孔石墨烯還可作為一種潛在的材料用于各種應用，包括充電電池、光催化、太陽能電池、電催化劑、氣體傳感器、電化學傳感等。因此，可以得出結論，多孔石墨烯具有

有趣的特性在廣泛的應用中起著不可替代的作用，特別是在超級電容器等儲能應用中。目前，國內(nèi)外對超級電容器用功能電極材料的開發(fā)進行了大量的研究工作，甚至獲得了具有良好循環(huán)穩(wěn)定性的高比電容。然而，組裝的不對稱超級電容器裝置的工作電位窗口小于2V。因此，提高超級電容器的電池電壓，提高超級電容器的能量密度是今后研究的重點。此外，目前國內(nèi)外對太陽能電池負極的研究還很有限。需要在超級電容器新型負極的開發(fā)方面取得進展。與正極材料相比，負極超級電容器的電化學性能仍然較低。此外，各種碳復合材料（包括碳/金屬氧化物、碳/導電聚合物和碳/碳復合材料）的質(zhì)量比需要優(yōu)化。Apt合成技術用于汞的形成，成本低，耗時少，需要大規(guī)模生產(chǎn)。此外，未來的研究應集中于將能量收集和發(fā)電技術與儲能系統(tǒng)相結合，以制造無插件系統(tǒng)的智能紡織品。

文章DOI:  10.1016/j.est.2021.103380

1.不同形式的3D柱狀硅電極的儲能能力和循環(huán)性能強烈依賴于由不同制造方法制成的孔隙空間或硅柱的形態(tài)和幾何形狀。這在很大程度上是由于硅質(zhì)量分數(shù)和孔隙形態(tài)的變化，正如在各自的過程中產(chǎn)生的那樣。

2.當從總電荷存儲容量而不是質(zhì)量比容量方面進行分析時，不同3D柱狀硅電極之間的差異更加明顯。研究還表明，盡管據(jù)報道，硅薄膜和硅納米線可能具有較高的質(zhì)量比容量，但與本研究中表現(xiàn)最好的微孔柱狀結構相比，它們的總電荷存儲容量相當?shù)汀?/p>

3.發(fā)現(xiàn)3D電極的總鋰存儲容量與電極中Si的質(zhì)量負載（g/cm2）密切相關，質(zhì)量負載本身直接由Si柱的孔隙率和深度決定。

4.由作者制作的一種3D Si柱狀結構，孔隙率約為50%，質(zhì)量負載約為0.93 mg/cm2，在200次循環(huán)中顯示出約1250 mAh/g的顯著比容量和約1.2 mAh/cm2的顯著總容量。在這項工作中考慮的任何其他柱狀硅電極結構中，都沒有發(fā)現(xiàn)這種水平性能的組合。該電極中的柱狀孔似乎有效地適應了硅柱經(jīng)歷的鋰化誘導的體積變化，這可以解釋該性能。

文章DOI:  10.1016/j.mseb.2021.115278

非水鈉離子電容器（SICs）作為一種新型的儲能電池，可以在一個器件中實現(xiàn)高能量密度、長循環(huán)壽命和低成本。因此，為碳基硅碳棒開發(fā)合適的碳質(zhì)電極材料具有重要意義。與已成功商業(yè)化的鋰離子電池（LIB）和鋰離子電容器（LIC）不同，SIC仍處于早期階段。因此，合理的SICs電極材料設計需要在更高的水平上推動，以滿足電化學儲能系統(tǒng)的要求。

碳材料具有廣泛的來源和低毒性，無論是作為正極還是負極，在高性能硅碳棒中都具有重要的潛在應用。在過去的幾年中，人們探索和試驗了各種碳質(zhì)電極材料，以開發(fā)硅碳棒。該綜述首先詳細介紹了SICs的經(jīng)典結構和廣泛應用的結構以及相應的儲能機制。然后，綜述了碳質(zhì)電極材料的最新研究進展，包括陰極材料和陽極材料。最后，提出了碳基硅碳棒面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的建議。

碳質(zhì)材料作為最有前途的硅碳棒候選電極，在克服動力學失配和容量平衡等科學問題方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)。注意，增強SICs的電化學性能需要全面考慮。從已發(fā)表的文獻中可以看出，電池型陽極材料要求在相對較低的電位（<1.0 V vs Na/Na+）下具有高容量、優(yōu)異的倍率性能和較長的壽命。對于電容陰極材料來說，提高比容量顯然是最關鍵的任務。此外，電極材料的預調(diào)制也是一個重要問題?？紤]到以上因素，軟碳分級多孔碳電池可能是最有希望的先進硅集成電路候選材料。眾所周知，軟碳通常提供足夠的容量（<1.0 V vs Na/Na+）和良好的速率容量。對于分級多孔碳陰極，它在1.5-4.2V的電位范圍內(nèi)與Na/Na+形成三角形的充放電曲線，可提供高容量。總之，軟碳分級多孔碳電池可能是下一代碳基混合電容器最有希望的候選者，值得深入研究。

文章DOI:  10.1002/batt.202000291