納米硅基負(fù)極材料研究進(jìn)展分析

【成果簡(jiǎn)介】

相對(duì)于傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料（372mAh/g），硅負(fù)極材料具有極高的理論比容量（3580mAh/g），是未來(lái)高能量密度動(dòng)力鋰離子電池負(fù)極材料首選。但硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)過(guò)程中存在體積變化（高達(dá)3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發(fā)SEI膜反復(fù)再生庫(kù)倫效率低，電接觸變差極化增大，使實(shí)際硅負(fù)極材料循環(huán)壽命和倍率性能較差。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室自2011年開(kāi)展硅基負(fù)極材料的研究開(kāi)發(fā)，已取得系列進(jìn)展。2012年報(bào)道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復(fù)合負(fù)極材料。近日，又報(bào)道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結(jié)構(gòu)CaSi2的拓?fù)滢D(zhuǎn)變，在酸性溶液中化學(xué)剝離Ca原子，留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩(wěn)定，在水溶液中氧化得到亞穩(wěn)態(tài)二維硅氧烯，二維硅氧烯經(jīng)過(guò)合適的熱處理?xiàng)l件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無(wú)定型硅氧化物。二維結(jié)構(gòu)可有效減少鋰離子遷移路程，納米硅和硅氧化物可有效降低了體積膨脹率，因此采用該方法制備的2D nano-Si/SiO2@C表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該研究工作以“Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries”為題發(fā)表在Nano Energy上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1示意圖及性能表征

（a）硅氧烯剝離過(guò)程示意圖。

（b）硅氧烯分子結(jié)構(gòu)示意圖。

（c）碳包覆二維納米硅/二氧化硅復(fù)合納米負(fù)極材料的微結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性

【研究?jī)?nèi)容】

電化學(xué)性能測(cè)試表明，在0.15 A/g條件下，首次放電容量大于950mAh/g，在7.5A/g的大電流密度下，放電容量達(dá)360mAh/g，相比于文獻(xiàn)已報(bào)道的硅或硅氧化物材料，倍率性能具有顯著優(yōu)勢(shì)；在1.5，3.0和7.5A/g的大電流密度下，循環(huán)300周容量保持率分別為73%，73%和92%。該新型2D nano-Si/SiO2@C負(fù)極材料，有望應(yīng)用于長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車。

研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)與寧波石墨烯應(yīng)用技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目的資助。