鋰離子電池(LIBs)作為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分，已被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備、電動(dòng)車及電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域。其中，負(fù)極材料的性能對(duì)LIBs的整體表現(xiàn)有著重大影響。硅(Si)因其超高的理論容量和低操作電位而成為下一代高能LIBs最有前景的負(fù)極材料之一。然而，實(shí)際應(yīng)用中Si負(fù)極面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要是由于其在循環(huán)過程中會(huì)發(fā)生約300%的體積膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和容量快速衰減。因此，含氧硅，特別是二氧化硅(SiO2)，作為一種替代材料受到關(guān)注，因?yàn)槠湓谘h(huán)中的體積變化顯著小于純硅，約為100%。此外，SiO2的鋰化過程會(huì)形成如Li2O和Li4SiO4等惰性相，這些相可以作為緩沖層減輕體積變化，從而提高循環(huán)穩(wěn)定性。盡管SiO2具有高達(dá)1965 mA·h/g的理論容量，但其低導(dǎo)電性和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)限制了其容量和倍率性能。此外，SiO2在循環(huán)期間仍然經(jīng)歷相當(dāng)大的體積變化，可能導(dǎo)致機(jī)械退化和長(zhǎng)期使用后的性能損失。

因此將SiO2與碳材料復(fù)合以形成SiO2/碳復(fù)合材料被廣泛研究，旨在改善導(dǎo)電性和緩解體積膨脹，進(jìn)而提升整體性能。然而直接在大塊SiO2上涂覆一層碳被證明是無效的，因?yàn)镾iO2的電化學(xué)活性高度依賴于顆粒尺寸，需要粒徑小于7納米才能確保最佳性能。在超小納米尺寸SiO2上建立碳涂層是一種可行策略來增強(qiáng)其電化學(xué)性能，但此類復(fù)合材料中納米尺寸SiO2的含量有限，往往導(dǎo)致容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性不佳。種改進(jìn)性能背后的機(jī)制理解尚不完全，仍需進(jìn)一步探討。所以開發(fā)一種創(chuàng)新的負(fù)極設(shè)計(jì)，通過在高導(dǎo)電且堅(jiān)固的碳框架內(nèi)均勻嵌入高密度、超小尺寸的SiO2納米顆粒，以實(shí)現(xiàn)容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的大幅提升，對(duì)于高性能LIBs來說至關(guān)重要但充滿挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，廈門大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技原位TEM進(jìn)行了深入研究，他們提出了一種簡(jiǎn)單而有效的策略，通過將高密度、超小尺寸（約6納米）的SiO2納米顆粒均勻地結(jié)合在碳納米片框架內(nèi)（記作SiO2@CNS），解決了SiO2作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)遇到的導(dǎo)電性差和體積變化大等問題。相關(guān)成果以“Effective binding sufficiently-small SiO2 nanoparticles within carbon nanosheets framework enables a high-performing and durable anode for lithium-ion batteries”為題發(fā)表在《Journal of Materiomics》期刊上。原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmat.2025.101053

在這項(xiàng)研究中，研究人員提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案，通過將高密度、超小尺寸的SiO2納米顆粒均勻嵌入到導(dǎo)電且機(jī)械堅(jiān)固的碳納米片（CNS）框架內(nèi)，形成SiO2@CNS復(fù)合材料，旨在解決SiO2作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)面臨的低導(dǎo)電性和顯著體積變化的問題。這種設(shè)計(jì)不僅保證了高的電化學(xué)反應(yīng)活性，而且由于碳納米片基質(zhì)的存在，加快了離子/電子傳輸速度，并緩沖了循環(huán)過程中的體積變化。結(jié)果顯示，經(jīng)過200次循環(huán)后，SiO2@CNS負(fù)極在0.1 A/g的電流密度下可提供607.3 mA·h/g的容量，在2 A/g的高電流密度下仍能保持407.4 mA·h/g的倍率性能，以及在1 A/g的電流密度下經(jīng)過2000次循環(huán)后仍能保持93.1%的初始容量，表現(xiàn)出長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖  SiO2@CNS的合成與表征

研究還通過原位透射電鏡觀察和非原位微觀及光譜分析揭示了SiO2@CNS在循環(huán)過程中經(jīng)歷了適度的體積膨脹和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強(qiáng)，這得益于形成了堅(jiān)固的固體電解質(zhì)界面(SEI)，為其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的電化學(xué)性能提供了支持。特別地，當(dāng)與商用LiFePO4正極配對(duì)組裝成全電池時(shí)，該電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能，在5 C倍率下經(jīng)過200次循環(huán)后仍能保持80.2%的容量。這些發(fā)現(xiàn)表明，SiO2@CNS作為一種高性能的負(fù)極材料，具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖 SiO2@CNS鋰化/脫鋰過程的原位透射電鏡觀察

為了驗(yàn)證其電化學(xué)性能，研究人員詳細(xì)探討了SiO2@CNS的制備方法及其特性。通過溶液法合成SiO2@CNS，首先將還原氧化石墨烯(rGO)分散于乙醇、去離子水和氨水的混合溶液中，然后依次加入間苯二酚、甲醛和四丙氧基硅烷(TPOS)進(jìn)行共縮聚反應(yīng)，最終通過碳化得到SiO2@CNS。形態(tài)學(xué)表征顯示，SiO2@CNS呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)，表面光滑，含有豐富的納米粒子，平均粒徑約為6.1納米。X射線光電子能譜(XPS)分析進(jìn)一步揭示了SiO2@CNS表面形成的SEI層結(jié)構(gòu)，有助于提高電化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，熱重分析(TG)確定了SiO2和碳的比例，其中碳含量占18.4%，證明了材料成分的合理分布。

研究最后通過一系列實(shí)驗(yàn)深入探討了SiO2@CNS電極的電化學(xué)性能提升機(jī)制。包括恒電流間歇滴定技術(shù)(GITT)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和不同掃描速率下的循環(huán)伏安(CV)曲線分析，揭示了SiO2@CNS主要依賴擴(kuò)散控制的儲(chǔ)鋰機(jī)制，以及較高的贗電容貢獻(xiàn)，有利于改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。另外，通過原位表征手段，如原位TEM觀察，直接展示了SiO2@CNS在反復(fù)鋰化/脫鋰過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即使經(jīng)過多次循環(huán)，SiO2@CNS粒子的大小依然保持穩(wěn)定，證實(shí)了其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這項(xiàng)工作也為開發(fā)高效、耐用的基于SiO2的鋰離子電池負(fù)極材料提供了重要參考。