1、Огромное расширение объема (эффект объема):
Основная причина проблемы: во время литиации (зарядки) кремния каждый атом кремния может объединяться с до 3,75 ионов лития (образуя Li). ₁₅ Si ₄), что приводит к увеличению объема примерно на 300-400%. Во время удаления лития (разряда) он снова сокращается. Это повторное сокращение расширения создает механическое напряжение.
Последствия: частицы кремния разрушаются и разрушаются, что приводит к коллапсу структуры электрода; Активный материал отделяется от коллектора тока, что приводит к сбою электрического контакта; Срок службы резко уменьшается (чистые кремниевые электроды могут испытывать разрушение мощности всего после нескольких десятков циклов).

2. Необратимое повреждение пленки твердого электролитного интерфейса (SEI):
Основная причина проблемы: расширение объема приводит к тому, что пленка SEI (защитный пассивирующий слой) на поверхности кремния неоднократно разрушается, подвергая воздействию новые кремниевые поверхности и непрерывно реагирует с электролитом.
Последствие: Электролит и ионы лития необратимо потребляются, что приводит к снижению куломбовой эффективности. Чрезмерное утолщение пленки SEI увеличивает импеданс интерфейса и снижает производительность батареи.

3. Низкая проводность:
Основная причина проблемы: внутренняя проводность кремния относительно низкая (около 1 × 10). ⁻ ³ S/см), намного ниже, чем графит (около 10 ⁴ С/см).
Последствие: во время процесса зарядки и разрядки передача заряда затрудняется, что приводит к плохой производительности скорости. Для снижения плотности энергии электрода необходимо добавлять дополнительные проводящие агенты (например, черный углерод).
4. Медленная диффузионная кинетика лития:
Основная причина проблемы: низкий коэффициент диффузии ионов лития в кремнии (около 10 ⁻¹⁴ см²/с) приводит к медленному введению/извлечению лития.
Последствие: сильная поляризация и снижение использования мощности во время высокоскоростной зарядки и разрядки.
Несмотря на вышеупомянутые проблемы с чистым кремнием, его дефекты могут быть частично устранены следующими методами, делая композитные материалы на основе кремния кандидатом для следующего поколения высокоемкостных отрицательных электродов:

1. Nanostructured: Подготовка наночастиц кремния, нанопроводов или нанопленок для уменьшения механического напряжения, вызванного расширением объема.
2. Композитные углеродные материалы: Композитные с графитом, графеном или углеродными нанотрубками, используя гибкость и проводимость углерода для буфера изменений объема.
3. Пористая/полая структура: резервное пространство расширения, такое как пористые кремниевые или полые кремниевые сферы.
4. Предлитиевая обработка: компенсирует потерю лития, вызванную образованием SEI в первом цикле.
5. Оптимизация клея: Используйте эластичные клеи (такие как полиакриловая кислота) для поддержания целостности структуры электрода.
Чистый кремний не может быть непосредственно использован в качестве отрицательного электрода для коммерческих литиевых батарей из-за таких основных проблем, как неконтролируемое расширение объема и нестабильная пленка SEI. Однако благодаря инженерии материалов и конструкционному проектированию композитные материалы на основе кремния (такие как кремниевые углеродные отрицательные электроды) постепенно стали практическими и, как ожидается, заменят традиционный графит в будущих батареях высокой плотности энергии.