编辑推荐：
硅基材料因高理论容量和低成本被视为锂离子电池阳极的替代方案，但存在结构不稳定、反应动力学差等问题。等离子体技术通过调控材料合成、晶体结构及表面改性，有效提升硅基阳电极电化学性能。摘要共109字。
袁江东|毕世琪|王梦如|杨宗贤|田新年|陈雨润|孙志奇|孙仁仁|欧阳宇歌|白柳阳|魏继石|袁芳丽|姚明水
河南大学化学与分子科学学院，开封475004，中国
摘要
基于硅的材料因其高理论容量和低成本而成为传统石墨阳极的有希望的替代品。然而，它们的实际应用受到诸如结构不稳定性、反应动力学差和界面问题等固有挑战的显著阻碍。等离子体技术作为一种多功能处理工具，为解决这些限制提供了一个独特而强大的平台。本综述系统总结了关于等离子体辅助制备和改性基于硅的阳极的研究，特别关注等离子体技术在材料合成（纳米结构设计和复合材料制备）和结构化学工程（晶体结构调整和表面/界面改性）中的关键作用，以及其对材料电化学性能的影响。这些策略有效地解决了与基于硅的阳极相关的问题，并显著提高了其电化学性能。对这一领域的系统总结和深入理解有望为进一步优化基于硅的阳极设计并推进高能量密度锂离子电池的应用铺平道路。
引言
锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度、长循环寿命、高工作电压和低自放电率，已成为移动电子设备、电动汽车和固定式储能系统的核心技术。[1]，[2]然而，现有的LIBs无法满足市场对更高能量密度的需求。[3]，[4]作为LIBs的关键组成部分，电极材料的容量直接决定了整体能量密度。[5]因此，尽管石墨阳极是迄今为止最成功的商业阳极材料，但由于其有限的理论比容量（372 mAh g?1），越来越无法满足高能量密度LIBs的要求。[6]
相比之下，硅（Si）材料是下一代高能量密度LIBs的有希望的候选者，因为它们具有异常高的理论比容量（3579 mAh g?1）、合适的锂化电位（约0.4 V vs. Li/Li+）和丰富的天然储量。[7]然而，在循环过程中，由于与锂离子（Li+）的合金化/脱合金化反应，Si会发生显著且反复的体积变化（约300%）。这种严重的体积变化导致了诸如颗粒粉碎、电极分层、界面不稳定和副反应加剧等关键问题。[8]，[9]此外，作为半导体的Si的低固有电导率严重限制了其电化学反应动力学。[10]，[11]
为了解决上述问题，研究人员提出了各种具体的解决方案，其中纳米化和材料复合被证明是最有效的。[8]，[12]纳米化涉及将Si颗粒减小到纳米尺度，这不仅减轻了绝对体积膨胀并增强了抗断裂性，还抑制了表面裂纹的形成，从而缓解了由严重体积变化引起的电极结构退化和界面不稳定性。[13]，[14]此外，颗粒尺寸的减小缩短了Li+的扩散路径，从而在一定程度上提高了Li+的扩散动力学。[15]另一方面，材料复合涉及将Si与其他具有优异机械性能或高电导率的组分结合，以构建复合阳极材料。这种方法有效地抑制了Si固有的体积变化，并显著提高了电导率，从而改善了电化学性能。[16]，[17]在各种复合组分中，碳材料使用最广泛，硅/碳复合材料（Si/C复合材料）被认为是最具商业前景的阳极系统。[18]尽管如此，纳米化和材料复合策略仍面临一些需要紧急解决的技术挑战。
在纳米材料的制备过程中，平衡颗粒尺寸、分散性、均匀性和制造成本是一个重大挑战。[19]作为最常用的纳米材料合成方法，球磨法具有操作简单、成本低和相对高产率的优点。然而，所得产品通常是微米级的团聚二次颗粒，分散性较差，不利于电极浆料的制备。热解（包括化学气相沉积（CVD）和流化床）是一种有效的从气态Si源实现向下纳米化的方法，但它缺乏对固态Si源纳米化的技术支持。此外，这种方法受到高成本、大量能量消耗和低产率率的限制。镁热还原可用于制备多孔材料，并具有良好的可扩展性；然而，它在热管理方面面临挑战，大规模生产的潜力有限，并且依赖于酸蚀步骤，这引发了安全和环境问题。此外，上述方法仍缺乏在原子或分子尺度上精确控制晶体结构的足够能力，在异原子掺杂和空位缺陷工程等领域存在局限性。
有多种方法可用于制备基于Si的复合材料，主要包括球磨、液相方法、喷雾干燥和CVD。通过选择不同的前驱体和合成策略，可以获得具有多样化结构的基于Si的复合材料。[26]，[27]球磨是一种低成本、可扩展且高效的复合制备技术，但在形态控制和组分优化方面存在局限性。液相方法适用于大规模生产，并提供广泛的前驱体兼容性，但它们通常产生结构简单的材料，容易发生组分分离。喷雾干燥通过快速溶剂蒸发在一定程度上减轻了组分分离，并能够形成球形二次颗粒，但其构建更复杂结构的能力仍然有限。热解和CVD被认为是一种有前途的制备途径，因为它们具有均匀涂层能力和良好的可扩展性。然而，其通常较低的操作温度导致Si与涂层层之间的界面相互作用较弱，使得复合材料在循环应力下容易发生层间分层，从而导致电极分离和电接触丢失。此外，这些传统方法在处理高熔点材料时通常面临挑战，进一步限制了更先进复合系统的开发。
近年来，随着对等离子体技术研究的增加，其在材料制备和改性领域的显著优势变得越来越明显。等离子体富含各种高能活性物种，如电子、离子、原子和自由基。在等离子体处理过程中，这些活性粒子与材料碰撞，促进物质/能量交换，从而触发一系列物理和化学反应，有效调节材料的物理化学性质。[28]，[29]此外，根据等离子体的生成方法，材料还可能受到热场、电场、磁场或流场等多物理场的耦合效应。等离子体-材料相互作用的独特机制不仅为材料合成提供了新的途径，还为精确的“结构化学工程”提供了强大的工具，从而有助于构建创新结构和提高材料性能。[30]，[31]
本综述旨在系统总结相关研究，并阐明等离子体技术作为高效制备和改性基于Si的阳极材料（Si阳极）的工具的潜力和实施途径，重点关注等离子体过程、材料合成、结构化学调整机制和电化学性能之间的相互关系（图1）。综述首先简要介绍了等离子体的基本概念、特性和常见类型。然后，它系统概述了使用等离子体技术制备和改性Si阳极的研究进展，讨论了关键方面，包括纳米结构设计、复合材料制备、晶体结构调整和表面/界面改性，强调等离子体在提高电化学性能中的关键作用。最后，综述总结了当前技术应用中的主要挑战，并概述了有前景的未来研究方向和新兴机会。尽管很难涵盖该领域的所有进展，但我们希望本综述能为读者提供关于等离子体技术在Si阳极应用中的系统理解和研究灵感。
部分摘录
概念和分类
等离子体是一种由大量正负电荷粒子以及中性物种组成的准中性气体介质，表现出集体行为。它具有不同于固体、液体和气体的复杂电磁特性，被视为物质的第四种基本状态。自然存在的等离子体构成了可见宇宙的大部分。
等离子体的宏观温度与重
用于Si阳极的等离子体技术
通过选择不同的等离子体技术或调整其工艺参数，可以建立多样的物理和化学环境，从而通过能量交换过程有效调节材料的物理和化学性质。[28]，[29]根据应用方向，等离子体技术可以大致分为四种类型：纳米结构设计、复合材料制备、晶体结构调整和表面/界面改性。
结论
本综述系统总结和分析了等离子体技术在Si阳极制备和改性方面的研究进展，重点关注四个方面：纳米结构设计、复合材料制备、晶体结构调整和表面/界面改性。基于表4的总结，表5进一步概述了在不同机制和要求下选择等离子体技术的原则。
CRediT作者贡献声明
毕世琪：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、研究。袁江东：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、研究、正式分析。杨宗贤：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资金获取、概念化。王梦如：可视化、研究、数据管理。姚明水：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。陈雨润：
致谢
袁江东、毕世琪和王梦如对本文的贡献相同。本工作得到了国家自然科学基金（NSFC编号：12505285、22308086、22494633、22571304）、中国博士后科学基金（CPSF）（2025M773416、2025M771174、2023M741003）、CPSF博士后奖学金计划（编号：GZC2024394）、河南省自然科学基金（252300423684、252300423679）、河南大学黄河学者创业基金和重点实验室的支持。
