寧波材料所納米硅基負極材料研究取得進展

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

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室自2011年開展硅基負極材料的研究開發(fā)，已取得系列進展。2012年報道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復合負極材料。近日，又報道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復合負極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結構CaSi2的拓撲轉變，在酸性溶液中化學剝離Ca原子（圖1a），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（圖1b），二維硅氧烯經過合適的熱處理條件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復合負極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無定型硅氧化物（圖1c）。二維結構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。電化學性能測試表明，在0.15A/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360mAh/g，相比于文獻已報道的硅或硅氧化物材料，倍率性能具有顯著優(yōu)勢（圖2）；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%（圖3）。該新型2D nano-Si/SiO2@C負極材料，有望應用于長續(xù)航電動汽車（圖4）。

　　該研究工作以Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries為題發(fā)表在Nano Energy上。

　　研究工作得到了國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金、中科院重點部署項目、中科院先導專項與寧波石墨烯應用技術研發(fā)項目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.a) 硅氧烯剝離過程示意圖，b) 硅氧烯分子結構示意圖，c) 碳包覆二維納米硅/二氧化硅復合納米負極材料的微結構示意圖 

　　圖2.本研究工作的二維納米硅/二氧化硅復合負極材料與文獻報道的硅基負極材料的高倍率性能對比圖 

圖3.二維納米硅/二氧化硅復合負極材料的循環(huán)穩(wěn)定性 

圖4.二維納米硅/二氧化硅復合材料用于長續(xù)航電動汽車動力電池示意圖