【引言】

硅基材料由于其具有较高的容量和充电机充电锂电池放电电位的优点，是作为高能量密度充电机充电锂电池最有前景的候选材料。然而，硅在嵌锂之后会产生巨大的体积膨胀（~300%），从而导致其结构破坏，形成连续不稳定的固体电解质界面（SEI），这极大地阻碍了硅基负极材料在实际充电机充电锂电池中的应用。为了解决这些缺点，研究者对具有新型结构的硅基材料进行了大量的研究，包括纳米结构的硅和硅/碳复合材料。然而，减小硅颗粒尺寸对性能的改善程度有限，硅表面暴露于电解液中仍会造成较低的库伦效率和容量衰减。目前，碳包覆纳米硅被认为是提高硅基负极电化学性能的最有效策略之一。一方面，碳壳提供了体积变化的空间；另一方面，碳壳表面形成稳定的SEI膜，有利于库伦效率的提高和容量的保持。

【成果简介】

近日，华东理工大学龙东辉教授和美国加州大学河滨分校郭居晨教授(共同通讯)以“Colloidal Synthesis of Silicon@Carbon Composite Materials for Lithium-Ion Batteries”为题在Angew. Chem. Int. Ed上发表文章报道了一种新型碳/硅复合材料。两种不同的方法（硬模板法SiNPs@CPS和软模板法SiNPs@CHD）得到的材料，由于纳米硅颗粒在炭载体中的分散形式不同，将其作为充电机充电锂电池负极材料，也表现出不同的性能。结果表明纳米硅颗粒在炭壳层中更均匀的分散，其循环稳定性和倍率性能也更优异。基于实际应用的考虑，将其作为添加剂与天然石墨混合，所制备的Si/C负极可逆容量可达600 mAh g-1 (3.1 mg cm-2) 和450 mAh g-1 (4.5 mg cm-2)。

【图文简介】

一: 硬模板法制备的硅/碳复合材料SiNPs@CPS的形貌表征

(a) SiNPs@CPS的TEM图像；

(b) SiNPs@CPS的暗场TEM图像和EDX元素谱图。

二：SiNPs@CPS的充电机充电锂电池电化学性能研究

(a) SiNPs@CPS在不同电流密度下的循环曲线和库伦效率曲线；

(b) SiNPs@CPS在0.1C电流密度下的充充电机锂充电机充电锂电池放电曲线。

三：软模板法制备的硅/碳复合材料SiNPs@CHD的形貌表征

(a) SiNPs@CHD的TEM图像；

(b) SiNPs@CHD的暗场TEM图像和EDX元素谱图

四：SiNPs@CHD的充电机充电锂电池电化学性能研究

(a) SiNPs@CHD在不同电流密度下的充电机充电锂电池循环曲线和库伦效率曲线；

(b) SiNPs@CHD在0.1C电流密度下的充充电机锂充电机充电锂电池放电曲线。

五: SiNPs@CHD作为石墨负极添加剂的充电机充电锂电池电化学性能研究

(a) SiNPs@CHD在CVD处理之后的SEM图像；

(b) graphite-SiNPs@CHD电极的横截面SEM图片；

(c) graphite-SiNPs@CHD在250 mA g-1和500 mA g-1电流密度下的循环性能和库伦效率曲线；

(d) graphite-SiNPs@CHD在250 mA g-1电流密度下的充充电机锂充电机充电锂电池放电曲线。

【小结】

该研究利用简单的模板法成功的制备了具有核壳结构的碳/硅复合材料。经表面修饰过的纳米硅颗粒均匀分散于模板剂中，有利于其在在碳壳层中很好的分散。当用为充电机充电锂电池负极材料时，SiNPs@CHD由于具有特殊的结构表现出良好的循环稳定性和倍率性能。当用作石墨负极添加剂材料时，也大大提高了电极充电机锂充电机充电锂电池放电容量。这一工作表明该方法所制备硅基负极材料，在用作实际充电机充电锂电池负极材料中表现出极大的实用前景。