（1）实验原理(限1000字以内)
本实验的实验原理和知识点涵盖了《材料科学基础》、《材料现代分析方法》、《电化学原理与技术》等多门本科生课程。
① 硅基电极材料工作原理与失效机制
涉及电化学、固态反应等相关专业知识。硅（Si）在地壳中丰度高（26.4%），可与锂发生可逆合金化反应（Si+xLi++xe-↔LixSi，0<x≤4.4），理论质量比容量高（4200 mAh/g，Li4.4Si），是下一代高能量密度锂离子动力电池最具应用前景的电极材料。锂化产物密度远低于Si，循环过程中Si的体积膨胀达到280%以上，产生的巨大内应力易致使材料破碎、粉化甚至电极崩塌，造成电极失效（即体积效应）。当尺寸小于150 nm时，纳米尺寸效应（材料韧性显著提高）可有效缓减体积效应。硅本征导电性差，致使电化学反应动力学过程迟滞、性能得不到有效发挥。同时，硅尺寸越小，与电解液界面越大，生成不稳定固态电解质膜（SEI膜），不利于库伦效率的提高。因此，将纳米硅与导电碳复合制备硅碳纳米复合材料，既能改善导电性、减少与电解液的界面，还可减缓体积效应、形成稳定SEI膜，显著改善性能。
② 硅碳材料制备与结构调控原理
涉及固态反应、粉末烧结等相关专业知识。
以坡缕石、海藻酸钠为原料，采用高温碳化+镁热还原方法制备硅碳电极材料。镁热还原是以镁粉为还原剂，在密闭的环境下加热处理，将Si还原出来，其反应式为：SiO2+2Mg→Si+2MgO。在制备过程中，先将碳源均匀包覆坡缕石纳米棒，在惰性气氛下煅烧碳化，得到碳包覆坡缕石复合材料，再与镁粉混合、镁热还原处理，即获得有内空隙的蛋黄蛋壳结构硅碳复合材料。此外，还可采用先将坡缕石还原、后碳化包碳制备工艺，获得无内空隙的核桃结构硅碳复合材料。硅碳复合材料组成、形貌和结构的调控，可通过选取不同制备工艺流程（先碳包，或先镁热还原）以及改变原料比例、加热温度和保温时间来实现。
③ 材料成分及结构表征
涉及晶体学、材料表征等专业知识。采用X射线衍射、电子显微分析等方法，对所得材料进行组成、形貌及结构表征，表征原理在相关课程中有详实描述。
④ 器件组装及性能测试原理
涉及电池工业相关扩展知识和电化学原理与技术等专业知识。器件组装，即将材料通过涂覆制作成电极，与金属锂、隔膜和电解液在惰性气氛手套箱中组装成扣式电池。性能测试是采用恒流充放电、循环伏安等方法对扣式电池进行电化学性能测试，表征材料的性能。
知识点：共5 个
1. 锂离子动力电池工作原理、电极材料的关键指标
2. 硅的储锂机制与结构演变规律
3. 硅碳复合材料的制备方法及结构调控机制
4. 材料表征方法、仪器原理和操作
5. 材料成分-制备-结构-性能相互影响和制约关系
（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）
本实验核心要素有微观结构演变、硅碳复合材料制备、高精密仪器操作、器件组装与性能测试。
① 虚拟不同结构和尺寸硅材料嵌、脱锂过程微观结构演变场景，自主设置材料形态、尺寸和复合结构，仿真形成微观结构并进行连续演变操作，实现视觉直观感受，以虚补实。
② 虚拟硅碳材料制备过程场景，自主设置制备工艺、碳化和镁热还原参数，可短时间内多次重复仿真完成实际长耗时、复杂的材料制备全过程，可跳过已学会或重复步骤，实现自主选择步骤操作制取多种材料，以虚代实。
③ 虚拟高精密仪器（XRD、SEM、TEM）构造（部件可剥离、组装）和材料表征场景，仿真样品准备、进样与表征等无法实操的全流程表征操作过程，以虚代实。
④ 虚拟扣式电池组装和电化学性能测试场景，学生可多次重复仿真自主操作惰性、无水无氧环境中扣式电池组装，在短时间仿真多次完成实际长耗时的性能测试，结合线下观摩，虚实结合。
实验基于100组以上真实实验数据，构建材料成分-制备-结构-性能关系的连续变化函数，满足每个学生的实验结果差异性，正确反映真实实验数据变化规律，最大程度重现真实实验过程和结果。