但是石墨也存在着一些不可忽略的缺点，这些缺点同样也是受它的结构的影响。

（1）当放电时，电解质或有机溶剂化学反应能够于负极材料表面生成一层固体 电解质界面膜（SEI）[8]，这是一层绝缘膜，锂离子可以自由的穿过，所以在第一次 充放电时在负极材料表面上存在保护膜（SEI）会导致 15%-20%的损失，并且这些损 失是不可逆的，即无法在下次充放电时恢复。

（2）石墨是层状结构，它对进入其中的锂离子有非常强的方向性，所以在电流 很大的时候，这类锂离子电池的充放电性能不是很理想，所以我们要避免出现大电流 充电的情况；

（3）石墨层与层之间是以较弱的范德华力作用的，并且它的层间距较大，同时 石墨材料对电解液敏感，所以它与电解液的相容性差，当充电和放电时会很容易地与 溶剂大分子共插到石墨层之间，有机溶剂插入到石墨层之间而被还原，从而产生大量的气体，使本就间距很大的石墨层直接分离，造成 SEI 膜的重复的破坏和生成[9]，使 得石墨与锂离子之间丧失接触点[10]。

（4）石墨和锂的电位很接近，在过充的情况下，在碳极材料的表面仍然可能会 有枝晶锂的出现，会刺穿薄膜造成电池短路，在高温下还可能有失控的情况出现。

（5）石墨结构的结合能较低，仅有 16。7KJ/mol。在锂离子的脱嵌时，石墨结构 的体积会因此发生膨胀和紧缩，而且对石墨结构造成破坏，导致石墨的循环寿命较差。

（6）锂离子在石墨结构中的运动很慢（运动速度数量级为 10-12cm3/s）,在电流过 大的情况时，它的充放电性能不是很理想，不能满足动力电源对于功率特性的要求。

一般常见的含碳化合物类负极材料有 B-C-N 系化合物和 C-Si-O 系化合物等。 B-C-N 系化合物的结构和石墨的结构非常相似也是层状结构，所以这类化合物也被 称为类石墨材料，它是将 B、N 或者一些其它的化合物与碳素材料的先驱体通过气相 或固相反应合成的。和一般所说的掺杂不同，这类非金属元素在含量上和碳的含量是 在一个数量级上的。

非碳类化合物负极材料主要包含：锡基材料、过渡金属氧化物、钛基材料、硅基 材料等。例如：比容量达到 900mAh/g[11]的 Li2。6Co0。4N；以及在碳材料中复合纳米材 料，这样获得的材料比容量也能到达 1200mAh/g。近些年的探究中，硅基材料和锡基 材料比较成功。文献综述

1。4 硅基锂离子电池负极材料

近些年，电子产品的快速发展对锂离子电池的能量密度作出更严格的要求，就要 我们找到一种性能更好的负极材料，使得锂离子电池具备更高的比容量和更多的循环 充放电次数。我们现阶段使用的锂离子电池的负极材料大部分都是碳材料，碳对于锂 离子的比容量为 372mAh/g，而硅对于锂离子的比容量高达 4200mAh/g，远远高于碳 的比容量[12-13]。近些年一些研究者正致力于硅基锂离子负极材料的研究，与正被广泛 应用的碳材料相比，硅极材料还具有以下优点：安全性更好、价格更低，在自然界中 广泛存在，硅的储锂反应式为（1-2）[14]：

图 1-4 硅嵌/脱后的体积改变示意图

但是硅作为负极材料也存在着缺点：循环充放电性能较低，并且在锂进入硅会产 生近 400%的体积膨胀[15-17]，巨大形变的存在会造成硅的裂纹和粉碎现象，从而缩短 锂离子电池的使用寿命。正因为这一缺陷的存在，当前硅基负极材料还没有大规模地 投入到实际使用中。对于改善硅基材料作为锂离子电池负极材料[18-19]的性质，人们进 行了许多的研究，对硅基材料的结构以及成分等方面进行改性从而缓冲因锂离子的进 入而造成的大变形，但仍然无法达到人们对于新型锂离子电池负极材料性能的预期， 而且制备困难无法投入实际应用。 DFT锂在硅中扩散机理的多尺度模拟(4):http://www.youerw.com/wuli/lunwen_91376.html