摘要：大家好！今天一起来探寻硅/石墨复合电极的神秘之处——《In Situ Characterization of Competitive (De)Lithiation in Silicon/Graphite Composite Electrodes via Ele
大家好！今天一起来探寻硅/石墨复合电极的神秘之处——《In Situ Characterization of Competitive (De)Lithiation in Silicon/Graphite Composite Electrodes via Electrode Curvature Measurement》发表于《ChemElectroChem》！想象一下，这些小小的电极可是决定电池性能的关键角色哦！就好比一场微观的马拉松比赛，里面的硅和石墨在进行着激烈的竞争（脱）锂化过程，直接影响着电池能不能跑得更远、更持久。是不是已经迫不及待想了解啦？那咱就赶紧出发！
*本文只做阅读笔记分享*
研究背景
在锂离子电池的发展赛道上，大家都在拼命追求更高的能量密度。这时候，硅作为负极材料，有着超高的比容量。但是呢，它也有个大毛病，在（脱）锂化的时候，体积发生显着变化，结果就导致了各种问题，像电极断裂、电接触丢失，还有那个固体电解质界面（SEI）也不稳定了，电池的循环寿命就这样被无情地缩短。
所以呀，科学家们想出了一个绝妙的办法，把硅和石墨组合在一起，形成硅/石墨复合电极。硅负责提升容量，石墨则稳住局面，保障稳定性。可别小瞧了这个组合，它们之间的竞争性（脱）锂化过程那叫一个复杂，就像一团乱麻，用电学量去分析根本搞不定。
之前用X射线检测技术等方法，虽然也努力尝试了，但都有缺陷。比如说，这些方法都假设微观的晶格参数和宏观的（脱）锂化状态有直接联系，可实际上还有很多其他因素会干扰晶格参数，而且长时间用高能量射线照射，材料的晶体结构都被影响了，从轻微的变化到出现人工相变，问题一大堆。
电极曲率测量原理
当双层电极充电时，活性层会膨胀或收缩，而集流体却纹丝不动，这就导致电极不得不弯曲，就像一个弯弯的小月亮。利用这个原理开发了一套超厉害的电极曲率测量系统。
大家看这张图，是不是一下子就清楚了？不过，对于硅/石墨复合电极，之前的单悬臂电极测量系统就不好使了，因为它分不清电极里两种活性材料的变形情况。于是设计了全新的包含平行硅电极和石墨电极的系统，就像给电极们建了一个新赛道。只要能找到电极曲率和容量之间的关系，就能成功分析它们的竞争行为啦。但这里有两个重要前提哦，一是要保证电池系统有可比性，二是得确定电极曲率和容量的准确关系。
实验部分
为了揭开这个神秘面纱，我们精心准备了三种电极。首先是传统混合硅/石墨电极，把硅粉和石墨粉按照一定比例混合，再加上一些添加剂，搅拌均匀后涂在集流体上，经过一系列复杂的操作。
然后是中间配置平行电极，它的做法有点特别，是把两种活性材料分别制成电极，再巧妙地拼接在一起，通过电路让它们保持电连接，就像给它们牵了一根隐形的线。
最后是模型电池中的平行悬臂电极，这个可是专门为这次研究定制的。选用了特殊的材料和结构，用磷酸铁锂电极作对电极，还加了锂金属参比电极，并且采用低C率进行充放电，就像给电池做了一次温柔的按摩。
做好电极后，对三种电池进行了恒电流循环测试，同时用专业仪器测量模型电池中电极的曲率。还通过单悬臂电极实验来确定石墨电极的容量-曲率关系，每个实验都至少重复三次，确保数据的可靠性，就像给数据上了三把锁。
结果与讨论
经过一系列的实验和分析，我们有了重大发现！看这张图（展示三种电池配置的电压曲线对比图），三种电池配置的电压曲线高度重合，这说明电池性能非常稳定，设计的模型电池在低C率下研究硅和石墨的竞争性（脱）锂化行为是完全可行的。
不过，要是电流增大，模型电池的额外阻抗可能就会出来捣乱，影响结果。
再看看这个（展示电极曲率随时间变化图），充电时硅和石墨电极都会弯曲，但是它们的曲率和（脱）锂化时间呈现出非线性关系，而且硅和石墨电极的曲率变化趋势明显不同。这背后其实就是竞争性（脱）锂化过程在捣鬼。
幸运的是，石墨电极的变形可逆性非常好，所以我们选择它来建立容量-曲率关系。通过一系列计算，我们成功确定了硅和石墨电极在复合电极中的容量演变。
从这张图可以清晰地看到，在锂化过程中，硅和石墨经历了从“硅主导”到“石墨主导”再到“同步”的三个阶段；而在脱锂过程中，则是从“石墨主导”到“硅主导”两个阶段。这个过程还和电压平台密切相关，和之前的研究结果完美契合，这就充分证明了我们方法的有效性。而且，这个方法还有很强的扩展性，以后可以应用到其他多相活性材料系统中，就像一把万能钥匙，能打开更多微观世界的大门。
一起来做做题吧
1、在锂离子电池中，硅作为负极材料的主要优势是什么？
A. 体积变化小
B. 具有超高比容量
C. 循环寿命长
D. 电化学性能稳定
2、为什么难以直接通过电学量（如电流、电压等）分析硅 / 石墨复合电极中硅和石墨的竞争性（脱）锂化行为？
A. 电学量测量不准确
B. 这些电学量通常无法区分不同活性材料的状态
C. 复合电极不导电
D. 实验设备无法检测电学量变化
3、对于双层电极，在（dis）充电过程中，什么会导致电极弯曲？
A. 集流体的膨胀 / 收缩
B. 活性层的膨胀 / 收缩与集流体的不变形共同作用
C. 电流的变化
D. 外部机械力的作用
4、新提出的电极曲率测量系统中，包含哪种电极连接方式来研究硅 / 石墨复合电极的竞争性（de）锂化行为？
A. 串联的硅电极和石墨电极
B. 单个悬臂电极
C. 并联的硅电极和石墨电极
D. 交叉连接的硅电极和石墨电极
5、在制备传统混合 Si/Gr 电极时，硅粉和石墨粉的混合比例是多少？
A. 1:1 wt%
B. 12:88 wt%
C. 20:80 wt%
D. 50:50 wt%
6、模型电池中选用什么作为对电极？
A. 锂金属箔
B. 石墨电极
C. 磷酸铁锂（LFP）电极
D. 硅电极
7、在研究硅 / 石墨复合电极的竞争性（de）锂化行为时，发现电压与什么相关？
A. 电极的厚度
B. 活性材料的颗粒大小
C. 硅和石墨的竞争阶段及电压平台
D. 电池的充放电电流
8、在锂化过程中，硅 / 石墨复合电极的竞争行为经历几个阶段？
A. 一个阶段
B. 两个阶段
C. 三个阶段
D. 四个阶段
9、本研究开发的方法主要用于什么？
A. 提高锂离子电池的能量密度
B. 表征硅 / 石墨复合电极的竞争性（de）锂化行为
C. 改善硅电极的循环稳定性
D. 研究石墨电极的电化学性能
10、本研究方法的扩展性体现在哪里？
A. 可以用于不同类型的锂离子电池
B. 可以分析不同电极材料的微观结构
C. 可推广到各种多相活性材料系统分析竞争行为
D. 能够提高电池的充放电效率
参考文献：
M. Li, et al. In Situ Characterization of Competitive (De)Lithiation in Silicon/Graphite Composite Electrodes via Electrode Curvature Measurement. ChemElectroChem 2025, e202400614.
来源：知识泥土六二三