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高比能需求下硅/锗基负极材料可控制备与性能调控研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的迅速发展以及人口的持续增长，能源需求呈现出与日俱增的态势。英国能源协会发布的《世界能源统计年鉴（2024年）》显示，2023年全球能源消费量达到619.63艾焦，同比增长2%，且比过去10年的平均水平高出0.6%。传统化石能源在能源消费结构中依然占据主导地位，但其日益枯竭以及在使用过程中带来的环境污染问题，促使人们积极探索可持续的清洁能源替代方案。在众多清洁能源中，太阳能、风能等可再生能源受到了广泛关注，然而，这些可再生能源的间歇性和不稳定性，使得高效的能源存储技术成为实现其大规模应用的关键瓶颈。

锂离子电池作为一种重要的能源存储设备，凭借其高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等诸多优点，在便携式电子设备、电动汽车、储能系统等领域得到了极为广泛的应用。在便携式电子设备领域，从日常使用的手机、平板电脑到笔记本电脑，锂离子电池为这些设备提供了持续稳定的电力支持，使人们能够随时随地享受便捷的移动生活。在电动汽车领域，锂离子电池作为核心动力源，直接决定了电动汽车的续航里程、动力性能和安全性能。随着环保意识的增强以及对节能减排的迫切需求，电动汽车市场呈现出迅猛发展的态势，这也对锂离子电池的性能提出了更高的要求。在储能系统中，锂离子电池可用于储存太阳能、风能等可再生能源产生的电能，实现能源的稳定输出和高效利用，对于构建智能电网和促进可再生能源的大规模接入具有重要意义。

在锂离子电池的组成部分中，负极材料对电池的性能起着至关重要的作用。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨类材料。石墨具有成本低、循环稳定性好、嵌锂电位低等优点，但其理论比容量较低，仅为372mAh/g，已难以满足未来对高能量密度电池的需求。例如，在电动汽车应用中，较低的电池能量密度会导致续航里程受限，无法满足人们日益增长的出行需求；在储能系统中，能量密度不足会增加储能设备的体积和成本，降低其经济效益。因此，开发具有更高理论比容量的新型负极材料成为了锂离子电池领域的研究热点。

硅基材料和锗基材料因具有较高的理论比容量而备受关注。硅的理论比容量高达4200mAh/g，锗的理论比容量为1600mAh/g，分别是石墨理论比容量的10倍和4倍左右。这意味着使用硅基或锗基材料作为负极，锂离子电池的能量密度有望得到大幅提升。若将硅基材料应用于电动汽车的电池中，有望显著增加电动汽车的续航里程，减少充电次数，提高用户的使用体验；在储能系统中，可提高储能设备的能量存储密度，降低成本，促进可再生能源的有效利用。

然而，硅基和锗基材料在实际应用中仍面临一些挑战。硅基材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化，其体积膨胀率可达300%-400%，这会导致材料结构的破坏和粉化，进而使电极失去电接触，电池容量迅速衰减。锗基材料虽然体积膨胀率相对较小，约为120%，但同样存在导电性差和循环稳定性不足的问题。这些问题严重限制了硅/锗基负极材料在锂离子电池中的大规模应用。

因此，研究高性能硅/锗基负极材料的可控制备方法，解决其在充放电过程中面临的体积膨胀、导电性差和循环稳定性不足等问题，对于开发高能量密度锂离子电池具有重要意义。这不仅有助于推动电动汽车、可再生能源储能等领域的可持续发展，还能为解决全球能源问题提供有效的技术支持。

1.2国内外研究现状

硅/锗基负极材料由于其较高的理论比容量，在过去几十年间吸引了全球众多科研团队和企业的深入研究，在制备与改性方面取得了一系列显著进展。

在制备方法上，多种技术不断涌现并逐步完善。机械球磨法凭借其设备简单、易于大规模生产的优势，成为实验室和工业制备中常用的方法之一。通过控制球磨时间、球料比和转速等参数，能够有效地细化硅/锗颗粒尺寸，促进其与其他材料（如碳材料、金属等）的均匀混合，从而在一定程度上改善材料的性能。德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员采用机械球磨法制备了硅-碳复合负极材料，在球磨过程中，硅颗粒被细化至纳米级，均匀分散在碳基体中，该复合材料在首次充放电过程中展现出较高的比容量。化学气相沉积（CVD）技术则以其在微观尺度上精确控制材料形态和尺寸的能力而备受关注。美国斯坦福大学的科研团队利用CVD法在纳米硅颗粒表面沉积了一层均匀的碳包覆层，不仅增强了材料的导电性，还缓解了硅在充放电过程中的体积膨胀问题，显著提高了电池的循环稳定性。溶胶-凝胶法通过溶液过程形成均匀的凝胶，再经热处理得到多孔结构的硅/锗材料，为解决体积膨胀问题提供了新的思路。日本东京工业大学的学者采用溶胶-凝胶法制备了具有三维多孔结构的锗基复合材料，该材料在充放电过程中能够有效缓冲体积变化，展现出良好的循环性能。

在改性策略方