能源：锂离子电池硅负极中的“植皮术” 学术资讯

来源：X一MOL资讯

硅材料是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一，那么，如何设计并构建硅负极，从而将其应用于商业化锂离子电池中呢？近日，国家纳米科学中心的李祥龙、智林杰研究团队提出并发展了一种“植皮式”二维共价封装策略，推进了高综合储锂性能的硅负极的发展。
近年来，为适应移动电子、新能源汽车和智能电网等的快速发展需求，开发兼具高能量密度、高功率密度、长循环寿命及高安全性的锂离子电池成为当今储能领域的研究热点。就锂离子电池负极而言，目前商业化石墨负极材料已接近其理论比容量极限（372 mAh/g），无法满足日益增长的储能需求，寻找更高比容量负极材料迫在眉睫。硅材料由于其丰富的储量、极高的理论比容量（十倍于商业化石墨负极材料）等优势备受关注，是一类非常有产业前景的负极材料。然而，由于极大的体积变化及较差的导电性，硅材料在循环过程中的容量衰减快及倍率性能差等问题严重制约了其实际应用。
构建碳硅杂化材料是硅负极研发的一个重要方向。目前，碳硅杂化及复合主要基于一类点对点的物理结合模式；尽管这些材料构建方法在一定程度上提高了循环性能，其涉及的碳硅结合方式实际上极大限制甚至牺牲材料动力学及倍率性能提升。鉴于此，研究团队突破传统点对点方式的材料构建规程，提出利用一种“植皮式”二维共价封装策略提升硅负极储锂性能。基于此策略，研究团队以可低成本制备的二氧化硅纳米颗粒为原料，结合改进的镁热还原法和化学气相沉积技术，成功制备了硅氧碳键基绣球花状碳硅共价双烯（图1）。研究结果表明，该碳硅杂化材料不但具有高的循环稳定性，而且表现出卓越的倍率性能，其综合储锂性能显著优于各种结合方式的碳硅杂化体系（图2）。特别是，其在800 mA/g的电流下充放电重量比容量可高达2646 mAh/g，体积比容量可高达2350 mAh/cm3。在2000 mA/g的电流下循环500次后重量比容量仍保持近1500 mAh/g。即使在20000 mA/g的电流密度下重量比容量仍高达810 mAh/g，体积比容量相比非共价封装和未封装硅材料分别高出1358%和1442%。即使考虑整体器件的重量和体积，基于该材料的全电池比目前商业化锂离子电池的比能量和能量密度均高出40%以上。初步研究结果也表明，这种二维共价封装策略一方面有效缓解了硅的体积膨胀，另一方面，其根本上变革了材料界面，从而实现了电子和锂离子的高效、稳定传输，提升了其循环及倍率等性能。

图1. 绣球状共价双烯的制备及结构。图片来源：Nat. Commun.

图2. 绣球状共价双烯的电化学储锂性能。图片来源：Nat. Commun.
该研究思想对于高容量、大体积变化的储能电极材料的理性设计及稳定化机制的深入认识是非常有益的。此外，该材料高综合储锂性能使其可用于兼具高能量密度和高功率密度的锂离子电池等先进储能器件的制造，服务于移动电子、电动汽车、智能电网等领域。

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