将来の負極材料としてシリコン、業界の後、大幅に電池の容量を強化する黒鉛系負極372mAh / gであり、よりも10倍、約4200mAh / gとgの理論容量は、しかしながら、今シリコン材料の主な問題：1、充放電、300％-400％の体積膨張; 2、不可逆高容量及びクーロン効率によるリチウムと合金化後の容量と乏しいサイクル寿命の低い実際の損失に、シリコン結晶の体積が発生します。シリコンの体積とに起因する剥離効果を繰り返し、それによってリチウムイオンを増加させる、SEIの破壊と再構築を引き起こすのでそう簡単に有意な変化、体積効果は、シリコンアノード物質を粉末引き起こし、集電体から剥離し消費量は、最終的にシリカフューム、シリコンカーボンコーティング、ドーピング、接着剤および他の手段を介して、現在あるナノは、上記の最適化問題を解決することを目的とする電池の容量に影響を与えます。
エンジニアリングの観点から、電極液体電解質、バインダーと導電助剤、及び集電体の空孔内に充填された電極材料の活性物質を含む、電極又は電池の総質量を制御するために必要な電池のエネルギー密度を増加させるためです。電解質/活性（電極（活物質/集電体比）の厚さを増加させ、多孔性を減少させる：このように、電極のエネルギー密度は、活物質の質量比と共通の技術的なアプローチがされている多孔質電極のエネルギー密度を増加させるために用いられる不活性な物質に依存します材料比）。しかしながら、電極内でリチウムイオンの輸送の制限、および電池電力密度の低減の気孔率を減少させる電極の厚さが増加する。また、グラファイトアノードの混合比率は、複合電極と平均体積膨張の能力に影響を与える可能性がある。したがって、これらの設計パラメータの最適化は、高エネルギー、高出力のリチウムイオン電池の開発の鍵です。
Heubnerらは、シリコン、多孔質電極の最適な設計基準を決定するために、材料の体積膨張のシリコンとグラファイトの混合割合を考慮する。電極のシリコン負極体積膨張が最初に孔が充填されるので、彼らは、「修飾された閾値を」定義減少気孔率、電極粒子との接触を避けるために最小限に電極の初期空隙率が存在し、充電過程において厳しい応力及び変形、及び気孔率の急激な低下を生じた。電極設計は、気孔率がこの値よりも大きくなければならない場合、また、また、「現在のしきい値レートを」定義する拡散律速電流比を確保するために高速シリコン負極の性能パラメータのこれらの設計基準の影響を分析するために再び充電実質的に減少能力を回避するために必要な電流よりも小さくありませんまた、標準的な関係の分析を使用して電極設計パラメータを最適化し、電極のエネルギー密度と電力密度を確保します。
1、気孔率
リチウムイオン電池電極の気孔率ε0は、式（1）で表すことができる。
(1)
viはシリコン（Si）、グラファイト（C）、バインダー（B）及び導電剤（A）を含む固相成分中の各電極の体積である。Vは、電極コーティングの体積積分である。想定そのSOC = 0及びSOC =それぞれの固相成分の体積変化との間の1が直線的である、膨張相の体積は、NI倍初期値であり、（シリコン、グラファイト、導電剤及び結着剤は、体積膨張NSI = 3でありますnC = 0.1、NA = 0はNb = 0）、膨張時の電極の気孔率およびイプシロン考慮、この異なる状態SOCの体積;式（SOC）（2）：
(2)
電池の外装ケース内の電池の全体的な膨張が制限nsの時間（例えば、10％）、各PIの固相（シリコン、グラファイト、導電剤、結着剤及び電解質濃度の真密度制限仮定するあるρSi= 2336、ρC= 2200ρA= 2200ρB= 1800ρCC= 8920、ρel= 1500）及び質量パーセントωIに、式（3）を得ました。
(3)
式（3）によれば、電極は、異なる初期多孔度をリチオ化、電極の気孔率と、図1aに示されるSOCとの関係は、図1bは、（電極の全体的な膨張は、NS =に制限されていると仮定した微細構造に対応する概略構造変化であります場合チャージ10％）。SOCが増加するにつれて、気孔率が大幅に低減される。20〜40％の範囲内の初期多孔度は（気孔率典型的な市販の黒鉛電極）、シリコン電極の気孔率は急速に低下しますゼロ。そのようなプロセスは、容量減衰が初期培地気孔率（50〜70％）の場合には、気孔率の減少はそれほど明白であるように、等粉砕シリコン、電気的接触不良を引き起こし、機械的応力大きな内部電極を引き起こすことただし、SOC = 1を維持したい場合は、電極の気孔率が0にならず、最初の気孔率が80％以上になる必要があります。
図1（a）異なる初期気孔率におけるリチオ化中の気孔率の進展;（b）異なる初期気孔率における電極気孔率の進化
図2aは、リチオ化状態でSOC異なるシリコン含有電極=関係多孔初期空隙率である電極場合、ケイ素含有量が増加し、リチウム電極がより高密度で、純粋なグラファイト電極、10％のグラファイトの体積膨張につながります気孔率10％の体積変化を規定リチオ化した後に変化しない。図2Bは、次の異なる値を定義するボリューム電極における全体的な変化（0％、10％、20％）、三つの異なるシリコン電極リチオ化状態= 1のコンテンツのSOCであります低い気孔率と初期の気孔率との関係は、電極の全体積変化限界が小さいほど、リチオ化後の電極の気孔率が小さくなる。
SOC図2（a）のリチオ化状態の初期気孔率の多孔度との間の異なるSiの内容電極=関係に; SOC（b）の全体的な容積変化制限値と異なる（NS）電極=細孔リチオ化状態で速度と初期気孔率の関係
2、電解質Li分布
リチオ化は、リチウムイオンは、電解質、電極低下の細孔に電解質中のリチウム濃度と活物質に挿入される。濃度勾配は、負極へのリチウムの拡散をもたらす、全体ポールピース上に形成されている。電解液中のリチウム濃度がゼロに低下した場合リチウムのインターカレーション反応は止まるので、到達可能な最大電流、いわゆる限界拡散電流jlimは式（4）のように表すことができ、実効拡散係数は気孔率に関係します。
(4)
図3異なる気孔率で定電流充電中の電解質リチウム濃度の損失分布の概略図
図3は、初期値に近い電解質中の電極に十分なリチウム濃度（B）は、（a）大気孔率下搬送リチウムが多孔性を低下させる、異なる定電流充電概略気孔率におけるリチウム電解質濃度分布であります電解液中のリチウムイオン濃度は徐々に減少して濃度勾配を形成する（c）空隙率は減少し続け、電極内のリチウム濃度は0に近づく。（d）気孔率が非常に低く、電極全体のリチウム濃度は急激にゼロまで低下する。 。
図4異なる初期気孔率でのリチオ化中の拡散制限電流速度の進化
例えば、最初の気孔率ε0 = 80％において、SOC = 0である場合には、SOCの増加に伴って、拡散制限最大電流は9.6Cであり、SOC = 1は約0.85Cです。
図5（a）異なる電極厚さでの拡散限界倍率および初期気孔率、および（b）異なるケイ素含有量
図5は、異なる電極厚さおよび異なるシリコン含量における拡散限界倍率と初期気孔率との関係を示しており、最初の気孔率が増加すると速度性能が向上する。特に厚い電極や極小の電極は拡散によって制限され、SOCが1のときに最大の充放電率が大幅に低下します。さらに、複合材中の黒鉛含有量を増やすと、電極のレート能力が大幅に向上します。
結論：シリコン負極の膨大な体積膨張効果を考慮すると、膨張過程で電極の気孔率が低下し、粒子間の応力が増加して粉末化するため、シリコン炭素負極の場合、電池の極片設計はグラファイト負極より優れているはずである。より大きな空隙率は、理論的最大容量とは異なるシリコン含有量の存在に対応する、容積及び質量比容量を考慮して、算出し、この場合、厚さ及び空隙率を最適化電極を表1に示す（分析：mikowoo）。
表1ケイ素含有量の異なるシリコン - 炭素アノードの最大比容量および対応する最適電極の厚さおよび多孔度
