北理工Small：高性能二維介孔硅納米片負(fù)極

【引言】

二維納米材料由于其獨特的物理化學(xué)性能，在基礎(chǔ)研究及技術(shù)應(yīng)用方面引起了研究者極大的興趣。近年來，各種二維材料，如石墨烯、過渡金屬氧化物、硫化物及碳／氮化物等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光催化、電催化、能量存儲與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。在鋰離子電池方面，二維納米結(jié)構(gòu)的引入可以有效的縮短鋰離子的擴散路徑、提高界面電荷轉(zhuǎn)移速率及增大電極－電解液界面，可以顯著提高材料的電化學(xué)性能，因而受到研究人員的廣泛關(guān)注。

在眾多負(fù)極材料中，硅因其超高的理論比容量、較低的放電電壓及鋰離子擴散勢壘，成為了最有發(fā)展前景的高容量鋰電負(fù)極材料之一。然而，硅在充放電過程中會引起巨大的體積膨脹，導(dǎo)致材料顆粒粉化和脫落，嚴(yán)重影響其電化學(xué)性能。此外與零維、一維硅納米結(jié)構(gòu)不同，二維硅材料生長的最大障礙源于其自身的晶體結(jié)構(gòu)。通常，典型的二維材料具有強的層內(nèi)共價鍵及弱的層間范德華力，這種顯著的表面能差異導(dǎo)致其各向異性的二維生長。然而，由于硅是各向同性的立方相晶體，要實現(xiàn)自發(fā)層狀生長極其困難。盡管目前各種方法被用來合成二維硅納米片，如刻蝕與剝離、化學(xué)氣相沉積及模板誘導(dǎo)合成，但這些方法通常工藝復(fù)雜、成本高、前驅(qū)體不穩(wěn)定、產(chǎn)率低而且儲鋰性能差。因此，采用低成本的方法實現(xiàn)優(yōu)異電化學(xué)性能的二維硅納米片的大規(guī)模制備是一個意義重大且存在巨大挑戰(zhàn)的難題。

【成果簡介】

近日，北京理工大學(xué)曹傳寶教授團隊陳卓副教授指導(dǎo)博士生陳松在Small上發(fā)表了題為“Scalable Two－dimensional Mesoporous Silicon Nanosheets for High－Performance Lithium Ion Battery Anode”的文章。他們利用低成本的模板法及鎂熱還原過程，首次在硅材料上實現(xiàn)了二維硅納米片的宏量制備。通過分子模版劑在二維硅納米片上引入介孔，使其具有較高的比表面積。作為鋰離子電池負(fù)極，與商業(yè)硅相比，循環(huán)性能有明顯改善。進一步通過均勻的碳包覆，實現(xiàn)了優(yōu)異的儲鋰性能、循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能?；谧杩棺V，擴散動力學(xué)分析及SEI膜觀察，該性能的顯著增強主要歸咎于獨特的二維介孔結(jié)構(gòu)及碳包覆的協(xié)同作用：1）有效的促進了鋰離子的擴散；2）提高界面電荷轉(zhuǎn)移速率；3）緩解硅的體積膨脹。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 納米片合成示意圖及電鏡表征結(jié)果

（a） 納米片合成示意圖；

（b） Si納米片的SEM；

（c） Si納米片的TEM；

（d－e） Si納米片的HRTEM。

圖2 Si／C納米片的透射電鏡及拉曼光譜表征結(jié)果

（a） Si／C納米片的TEM；

（b） Si／C納米片的HRTEM；

（c） Si／C納米片的拉曼光譜圖。

圖3 硅基負(fù)極的電化學(xué)性能

（a） Si納米片前三個循環(huán)的CV曲線；

（b） Si／C納米片前三個循環(huán)的CV曲線；

（c） Si納米片的恒電流充放電曲線；

（d） Si／C納米片的恒電流充放電曲線；

（e） 400 mA g－1下商業(yè)硅顆粒、純硅納米片及Si／C納米片的循環(huán)穩(wěn)定性比較；

（f） 不同電流密度下商業(yè)硅顆粒、純硅納米片及Si／C納米片的倍率性能比較；

（g） 4 A g－1下Si／C納米片的循環(huán)性能。

【小結(jié)】

該文章成功報道了一種低成本宏量制備二維介孔硅納米片的方法，同時為了進一步緩解體積改變及提高動力學(xué)行為，對其進行碳包覆處理，結(jié)構(gòu)表征及優(yōu)異的電化學(xué)性能證實了該方法的可行性。本研究不僅極大地改善了硅基負(fù)極的電化學(xué)性能，同時也為開發(fā)與設(shè)計獨特的納米材料用于各種能源器件提供了新思路。