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低成本、高能量密度和长寿命的可充电锂离子电池的性能在很大程度上取决于锂储存材料。过去，石墨因其优异的循环性能而被认为是锂离子电池（LIBs）负极材料的潜在候选材料。然而，石墨的理论容量仅为372mA·h·g -1 。因此开发具有更高功率和能量密度的电极材料至关重要。硅由于具有4200mA·h·g -1 的高容量，是锂离子电池极具吸引力的负极材料之一 ［49-52］ 。
在过去的几年里，人们探索了许多不同形式的硅用于锂电池应用，包括硅膜、纳米颗粒、电化学生产的多孔硅等 ［50-51］ 。其中，具有独特分层结构和高比表面积的多孔硅被认为是非常有吸引力的电极材料，由于其对液态电解质的高接触表面积，能够促进锂离子的快速传输，从而可提供优异的倍率特性，并在充电/放电循环期间保持良好的电子导电性。为了提高多孔硅电极的性能，开发具有新型多孔纳米结构的电极至关重要，该结构能够通过降低晶体应变和增加可用于离子传输的比表面积来大大提高性能。通过锂离子的嵌入和脱嵌过程，二氧化硅作为负极材料受到严重的体积膨胀和快速容量衰减的严重阻碍，导致电极结构粉化和循环性能差 ［53］ 。
因此，为了提高导电性、电荷存储能力、电子传输能力以及抑制颗粒粉化，有必要通过具有高比表面积和孔隙率的新纳米级形态（如纳米线、纳米管 ［22］ ，纳米片和纳米球 ［23］ ）来改善硅阳极的性能。使用不同的硅结构获得制备的锂离子电池以下放电容量性能，如三维多孔硅颗粒（约2600mA·h·g -1 ）、硅纳米管阵列（约1800mA·h·g -1 ）、硅纳米管（约1000mA·h·g -1 ） ［54］ 。另一种提高硅基阳极性能的方法是使用含硅的聚合物 ［19］ 进行涂覆 ［25］ ，但是它们的反应条件非常费力、耗时且需要复杂的处理，例如需要高压或高温的反应条件以及昂贵的原材料。碳涂层被认为是最优化的解决方案，因为与裸多孔硅相比，碳涂层的分级多孔硅提供了足够的空间来适应硅的体积变化，提高循环稳定性，并提高电子电导率，从而促进形成稳定的固体电解质中间相（SEI）层 ［55］ 。分级多孔Si/C复合材料在第一次循环时表现出最高的可逆容量，约为1628mA·h·g -1 ，在接下来的循环中具有出色的容量保持率循环 ［21］ 。用于锂离子电池应用的硅和多孔硅负极的最大限制之一是这些材料的高生产成本，这使得它们在为新兴电动汽车行业制造电池方面的吸引力较小。
为了改善锂离子电池合成硅的这些问题，硅藻土被认为是制备多孔硅负极的有前途的原材料。随后，将硅与碳涂层结合，可以减轻硅的体积变化并保持多孔硅颗粒之间的电接触 ［48］ 。多孔硅颗粒是通过镁热还原商业硅藻土获得。由于硅颗粒和孔隙之间的空隙空间，每个硅颗粒都被设计为提供足够的空间来适应充电和放电过程中硅的体积变化，从而大大提高了循环稳定性。Campbell等 ［56］ 在最近的工作中展示了碳涂层和转化硅藻硅作为高倍率锂离子电池负极的首次演示之一。硅藻硅是通过使用镁热工艺从硅藻二氧化硅还原工艺制备的，然后用聚丙烯酸（PAA）进行碳化，总结在图4.2中。所得硅藻转化的纳米硅表现出162.6cm 2 ·g -1 的高BET比表面积，而原始DE的值则为7.3cm 2 ·g -1 。DE包含SiO 2 结构，可为纳米级硅制作理想的生物衍生模板。基于DE的纳米硅负极表现出良好的循环性能，在C/5（0.7 A·g -1 Si）和高面积负载（2 mg·cm -2 ）（见图4.3）。这项工作还展示了基于DE的Si负极的首次倍率能力测试，测试了C/30～4C的C速率。负极保持了654.3mA·h·g -1 的比容量，比石墨的理论值（372mA·h·g -1 ）高出近2倍。
图4.2 获得用作锂离子阳极活性材料的C涂层、DE衍生、圆台状纳米Si结构的过程示意图 ［56］
图4.3 DE衍生纳米Si基电极的电化学表征 ［56］
（a）基于Si的C/5下50次循环的充放电循环性能；（b）C/30～4C下75次循环的C速率测试；（c）循环1、25和50 C/5下充放电数据的电压剖面，各种C速率的电压剖面；（d）循环1～10的CV
在Wang等的另一工作中，在Si转化硅藻获得的多孔Si/C复合材料负极上，在0.1A·g -1 的电流密度下观察到比放电和充电容量约为1700mA·h·g -1 。负极还表现出比裸多孔硅（205mA·h·g -1 ）更好的循环能力。结果表明，颗粒粉碎的限制成为提高硅负极锂离子电池性能的关键 ［12,48,57-63］ 。这些例子确实，证明硅转化硅藻是锂离子电池的有前途的负极材料，我们可以期待更多的工作来进一步推进这些电极以提高容量和循环性。