矽碳負極是下一代高能量密度鋰離子電池的核心材料之一，旨在克服傳統石墨負極理論比容量低（372 mAh/g）的局限性，以實現電池能量密度的飛躍。
矽的顯著優勢：
超高的理論比容量：純矽的理論比容量高達~4200 mAh/g，是石墨的10倍以上。
合適的鋰離子嵌入電位：略高於石墨，使其更安全，不易發生鋰沉積。
儲量豐富，環境友善。
矽的主要缺點：
顆粒粉化：活性物質從集流體上脫落。
固體電解質界面（SEI）膜的持續破裂和再生：持續消耗電解液和鋰源，導致庫侖效率低和容量快速衰減。
巨大的體積膨脹：鋰離子嵌入過程中，矽的體積膨脹可達300%以上。這導致：
導電性差：不如石墨。
「碳」的作用：
緩衝基質：柔性碳材料（例如非晶碳、石墨烯）可適應矽的體積變化，防止結構崩塌。
導電網絡：提高複合材料的整體導電性。
穩定的SEI膜：在碳表面形成的SEI膜更穩定，限制了矽與電解液之間的直接與過度接觸。
因此，矽碳複合材料是平衡高容量和長循環壽命的必然技術途徑。
關鍵製備製程技術：
化學氣相沉積（CVD）：
應用：在矽顆粒表面生長均勻的碳塗層，或在多孔支架上沉積奈米矽。
關鍵：控制溫度、氣體流速（例如甲烷、乙烯）和時間，以獲得具有理想厚度和石墨化程度的碳層。
高能量機械球磨：
應用：將微米級矽與碳材料（石墨、炭黑）進行物理混合與精製，以實現初始複合材料的形成。
關鍵：控制球磨時間和氣氛，以避免引入過多的雜質或造成過大的結構損傷。
噴霧乾燥/熱解：
應用：將矽奈米顆粒和碳前驅體（如蔗糖、聚合物）的溶液/懸浮液噴入顆粒中，然後進行碳化，形成均勻的矽碳二次微球。關鍵因素：前驅體的選擇、乾燥和熱解過程的控制。
預鋰化技術（輔助工藝，至關重要）：
目的：補償矽碳材料（尤其是氧化矽）在首次充放電循環中因SEI膜形成而造成的不可逆鋰損失，進而提高首次循環庫侖效率。
方法：包括負極預鋰化（與鋰箔接觸、使用穩定化鋰粉SLMP）、正極鋰補充（使用富鋰化合物）等。這是矽碳負極商業化的關鍵輔助製程。
未來發展趨勢：
精細化材料設計：從微觀結構設計轉向精確的原子/分子級控制。
製程創新與成本降低：開發可擴展、低成本的奈米矽和複合材料製程。
電池系統整合：與高鎳正極、新型電解質、固態電解質等進行協同開發。
逐步提高矽含量：在維持循環穩定性的前提下，從目前的5%-10%提高到更高的矽含量（>20%）。綜上所述，矽碳負極技術的核心是「奈米結構化+複合材料形成+結構設計」。透過巧妙的材料設計和精確的製備工藝，既能利用矽的高容量，又能利用碳來「抑制」和「緩衝」其膨脹。目前，一氧化矽-碳路線率先實現了大規模商業化，而奈米矽-碳複合材料路線則是未來高能量密度電池的發展方向。隨著技術的成熟和成本的降低，矽碳負極將逐步成為高階鋰電池的標準配置。