硅具有丰富的自然资源、环境友好性、稳定的化学性质、合适的脱嵌锂电位和石墨阳极数倍以上的容量等优势。相比于锂金属负极而言，硅负极应用于固态电能同时解决能量密度和安全性能差的矛盾问题，因此具有较大应用前景。硅负极以合金化反应来储锂，在嵌锂和脱锂过程中，对应着锂硅合金相Li_xSi的生成以及去合金化过程。Li与Si可以形成Li₁₂Si₇、Li₇Si₃、Li₁₃Si₄、Li₂₂Si₅等多种合金相。其中的最高含锂相为Li₂₂Si₅，由5Si+22Li⁺+22e^-→Li₂₂Si₅可知，完全锂化时，5个硅原子结合22个锂原子，对应的锂硅合金相Li₂₂Si₅作为储锂活性材料的理论容量为4200mAh/g。我们通过提高碳骨架的强度、控制碳材料的孔径分布，CVD的工艺和碳包覆技术，和上游供应商合作开发了低膨胀、长循环的Gen3硅碳负极材料，并以硅碳负极为负极集合超高镍三元或者高电压正极材料为正极可以满足400Wh/kg电芯的设计要求，为低空经济的发展提供可稳定量产的设计方案，以此为基础的“电芯+智能电池包”的为广大无人机客户提供整体解决方案，该产品商业化前景广阔。

图1. Si@C负极的首次充放电曲线

图1为CVD硅碳负极材料的充放电曲线图，充电可达2700mAh/g，放电容量可达2500mAh/g, 首次效率近93%。硅碳负极中碳含量~40%，纳米硅含量约60%，可见几乎所有的硅都参与锂的合金化反应，电极可逆性好。Dahn等通过研究发现Li⁺嵌入导致晶态硅非晶化的过程，当放电到50mV时，原来长程无序的Li-Si合金相结晶形成了Li₁₅Si₄的晶态相，具体反应机理如下：

首次放电（嵌锂）：Si+xLi⁺+xe^-+Li_xSi+(3.75-x)Li ⁺+(3.75-x)e^-→Li₁₅Si₄

首次充电（脱锂）：Li₁₅Si₄→ Si+yLi⁺+ye^-+Li₁₅Si₄

硅负极材料的嵌锂过程分为两个过程：首先在初次充放电时，晶体硅转变为无定型硅锂合金；其次是无定型硅锂合金相变为结晶形态锂硅合金的过程。同时晶体硅转变成无定形态的过程为脱锂过程。与常规尺寸硅材料的嵌脱锂原理不同，低电位下的纳米硅负极材料不会再结晶。初始充电阶段时锂离子的嵌入会形成α-Li_xSi，当电位小于50mV会形成β-Li_ySi，在后续循环过程中还形成了α-Li_x1Si和α-Li_x1+x2Si，共计产生四种锂硅无定形化合物。
   嘉盈科技以三代硅为主要负极材料，结合半固态凝胶电解液方案开发了320Wh/kg长循环高倍率电芯，在农业无人机和吊运无人机市场取得了很好的效果。