2.3.1 硅基合金

硅元素在自然界储量丰富，成本相对较低且对环境友好。硅具有较低的脱嵌锂电位（<0.5V，vs. Li/Li+）。硅在完全锂化的过程中，不同的电势会形成Li₁₂Si₁₇、Li₁₃Si₁₄、Li₇Si₃、Li₂₂Si₅等多个合金相，其中Si完全嵌入锂时形成的合金Li_4.4Si，其理论容量达4200mA·h/g。硅和锂的化学反应可表示为

但是硅基负极材料在锂离子嵌入/脱出过程中会发生严重的体积变化（体积膨胀超过300%），由体积变化引起的电极粉化、剥落等问题导致电池性能急剧下降，降低了电池的循环稳定性。

硅负极材料在首次充电过程中，会与电解液在固-液界面上发生反应，从而形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层SEI膜。但形成的SEI膜不稳定，容易脱落，造成电池的库仑效率较低。并且硅作为一种半导体，本征电导率低，导电性能差，大功率放电性能差。

改性方法：将Si纳米化。纳米化硅材料具有独特的表面效应和尺寸效应，可有效弛豫循环过程中产生的应力，有利于缓冲硅材料在脱嵌锂过程中的体积变化。

将硅与金属复合形成硅/金属复合材料。包括硅/活性金属复合材料（Mg、Al、Ag、Sn等）、硅/惰性金属复合材料（Co、Fe、Ni等）。其中，Si/Mg合金是研究最多的硅/金属复合材料，如Mg₂Si，Mg₂Si可逆比容量约为1074mA·h/g，循环过程中体积膨胀73%，远小于单质硅的体积膨胀。

金属与硅复合可以有效提高硅材料的导电性及循环性能，金属的加入可提高硅材料的机械强度，缓解电极体积变化。