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中科院寧波材料所：納米硅基負極材料研究取得進展

2017-09-28 11:24:44 作者：本網整理來源：材料人分享至：

【成果簡介】

相對于傳統石墨負極材料（372 mAh/g），硅負極材料具有極高的理論比容量（3580 mAh/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，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，留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩定，在水溶液中氧化得到亞穩態二維硅氧烯，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。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表現出優異的循環穩定性和倍率性能。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”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 示意圖及性能表征

（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 二維納米硅/二氧化硅復合負極材料的循環穩定性

【研究內容】

電化學性能測試表明，在0.15 A/g條件下，首次放電容量大于950 mAh/g，在7.5 A/g的大電流密度下，放電容量達360 mAh/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勢；在1.5，3.0和7.5 A/g的大電流密度下，循環300周容量保持率分別為73%，73%和92%。該新型2D nano-Si/SiO2@C負極材料，有望應用于長續航電動汽車。

研究工作得到了國家重點研發項目、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項目的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170921_4615364.shtml

文獻鏈接：Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries （Nano Energy, 2017, DOI:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.040）

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責任編輯：殷鵬飛

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