Angew. Chem. Int. Ed：胶体模板法制备锂离子电池负极硅@碳复合材料

【引言】

硅基材料由于其具有较高的容量和低放电电位的优点，是作为高能量密度锂离子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@C_PS和软模板法SiNPs@C_HD）得到的材料，由于纳米硅颗粒在炭载体中的分散形式不同，将其作为锂离子电池负极材料，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】

图一: 硬模板法制备的硅/碳复合材料SiNPs@C_PS的形貌表征

(a) SiNPs@C_PS的TEM图像；

(b) SiNPs@C_PS的暗场TEM图像和EDX元素谱图。

图二：SiNPs@C_PS的电化学性能研究

(a) SiNPs@C_PS在不同电流密度下的循环曲线和库伦效率曲线；

(b) SiNPs@C_PS在0.1C电流密度下的充放电曲线。

图三：软模板法制备的硅/碳复合材料SiNPs@C_HD的形貌表征

(a) SiNPs@C_HD的TEM图像；

(b) SiNPs@C_HD的暗场TEM图像和EDX元素谱图

图四：SiNPs@C_HD的电化学性能研究

(a) SiNPs@C_HD在不同电流密度下的循环曲线和库伦效率曲线；

(b) SiNPs@C_HD在0.1C电流密度下的充放电曲线。

图五: SiNPs@C_HD作为石墨负极添加剂的电化学性能研究

(a) SiNPs@C_HD在CVD处理之后的SEM图像；

(b) graphite-SiNPs@C_HD电极的横截面SEM图片；

(c) graphite-SiNPs@C_HD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@C_HD在250 mA g^-1电流密度下的充放电曲线。

【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。当用为锂离子电池负极材料时，SiNPs@C_HD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，在用作实际电池负极材料中表现出极大的实用前景。

原文链接：Colloidal Synthesis of Silicon@ Carbon Composite Materials for Lithium-Ion Batteries (Angewandte Chemie, 2017, DOI: 10.1002/ange.201705200)

本文由华东理工大学龙东辉教授投稿，材料人编辑部Allen整理。

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