Nature子刊：矽與炭結合，大幅提高電極容量和倍率性能

導讀：矽與炭材料的複合方式是矽基材料能否在鋰離子電池中實際應用的關鍵問題。本文通過構建矽與炭材料之間的共價鍵，大幅提高了複合電極的容量和倍率性能。該研究為矽基電池的改進和批量生產帶來了巨大的希望。

在鋰離子電池中，矽具有極高的理論容量（4200 mA h g-1），但隨之而來的問題就是嵌鋰脫鋰過程中巨大的體積變化，導致材料結構的崩塌和SEI膜的反覆形成。目前的研究雖可以實現穩定的循環性能，但往往犧牲了電極的容量和倍率性能。近日，中科院國家納米科學中心的智林傑教授團隊等人通過化學氣象沉積（CVD）法，在矽與炭之間形成共價鍵，使矽基電極擁有極高容量的同時，還具有良好的電化學性能。相關論文以題為「Stable high-capacity and high-rate silicon-based lithium battery anodes upon two-dimensional covalent encapsulation」在Nature Communication上發表。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17686-4

高容量的電極材料不可避免的會有充放電過程中體積變化過大的問題。矽的理論容量是現在商用的石墨電極的十倍以上，體積變化問題一直是其直接商用的核心難點。目前主流的做法是將矽與炭材料進行複合，增強導電性的同時緩解體積膨脹。而電極微觀結構的設計思路主要有以下三種：（1）將矽顆粒縮小到納米尺度，但由於僅僅是簡單和炭物理接觸，電化學性能極容易衰減；（2）製備納米矽顆粒的同時將炭材料尺寸縮減，形成如核殼結構的複合材料，具有穩定的循環性能，但往往倍率性能較差；（3）將矽顆粒通過共價鍵與炭材料連接，該方法理論上將同時保有極高的比容量和良好的倍率性能，但矽顆粒與炭材料往往是點接觸，且極易斷裂。因此，炭與矽之間的通過共價鍵連接具有極大地優勢，但需要進一步的優化設計。

針對以上問題，作者通過鎂熱還原和CVD法結合，製備了類皮膚結構的矽基複合材料。該材料矽與炭之間具有二維共價鍵，從而可以快速的將電子和離子從矽上傳輸出去。此外界面形貌和化學成分分析也證實這種特殊結構徹底改變了矽與電解液的接觸方式，因此電極可以兼具高容量、良好的循環穩定性和倍率性能。電化學測試證實，在2 A g-1的大電流密度下，電極循環500圈後比容量高於石墨電極的五倍以上。而即使在20 A g-1的極端電流密度下，比容量還具有812 mA h g-1。隨後作者還通過循環後的透射電鏡和XPS分析，對反應的機理進行了深入的剖析。

總結來說，作者提出了一種矽基電極中矽與炭的新型的結合方式，並設計處具有類皮膚結構的矽基複合電極。得益於二維共價鍵的約束，在避免電極中矽與電解液的直接接觸外，矽的體積膨脹被很好的束縛，不會發生矽-炭之間脫落等問題，使得該電極可以在大電流密度下依舊可以具有極高的比容量。該研究結果證明二維共價鍵封裝與現有的矽/炭電極材料相比具有巨大的優勢和應用潛力，是一種成本低廉但又行之有效的設計方法。（文：Today）

圖1 (a)-(d) 現有的矽與炭之間的連接方式示意圖；(e) 本文矽與炭之間的連接方式示意圖。

圖2 (a) SF@G電極的製備流程示意圖；(b)-(f) SF@G電極的SEM、TEM和元素映射圖；(g)-(h) SF@G電極的拉曼和XPS圖。

圖3 (a)-(c) 樣品循環測試結果；(d) ) SF@G//磷酸鐵鋰全電池循環測試結果。

圖4 樣品的倍率性能測試結果。

圖5 SF@G循環後的電鏡、XPS分析結果和機理分析示意圖。

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