硅烯，下一代硅負(fù)極材料？

前言

最近石墨烯材料更讓鋰離子電池成為輿論的焦點(diǎn)，雖然最終都證明這些頂著石墨烯名頭的鋰離子電池只不過是各路媒體炒作，但也使人們開始關(guān)注新興材料在鋰離子電池上應(yīng)用的可能性。

隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料層出不窮，碳納米管（CNT），納米碳纖維（CNF）等材料紛紛應(yīng)用在鋰離子電池上，用以改善鋰離子電池的性能。最近石墨烯材料更讓鋰離子電池成為輿論的焦點(diǎn)，雖然最終都證明這些頂著石墨烯名頭的鋰離子電池只不過是各路媒體炒作，但也使人們開始關(guān)注新興材料在鋰離子電池上應(yīng)用的可能性，在前邊的文章《石墨烯作為鋰離子電池導(dǎo)電劑的優(yōu)缺點(diǎn)分析》我們曾介紹過在LFP/C電池中使用石墨烯作為導(dǎo)電劑的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，表明石墨烯并是不“萬能材料”，只有合理利用才能事半功倍。

既然我們已經(jīng)介紹過了石墨烯，那么我們今天再帶大家了解一種新材料——硅烯。所謂硅烯是由單層Si原子組成的納米片，具有與石墨烯類似的結(jié)構(gòu)，與石墨烯不同的是該材料可以直接用作鋰離子電池的負(fù)極材料，而不僅僅是作為添加劑，目前該項(xiàng)研究成果由伍倫貢大學(xué)的Jincheng Zhuang等人聯(lián)合發(fā)表在了最新一期的《AdvancedMaterial》雜志上。硅烯材料由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使得其能夠?yàn)長i+遷移提供足夠的空間和通道，從而抑制了嵌鋰／脫鋰過程中硅烯材料的形變。Jincheng Zhuang的研究顯示，硅烯作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)比容量可達(dá)954mAh/g，雖然不如晶體Si材料，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于傳統(tǒng)的石墨材料（372mAh/g），硅烯材料層之間較大的空間，較高的吸附能和較低的Li+擴(kuò)散壁壘，都使得硅烯成為高比能、長壽命鋰離子電池理想的負(fù)極材料。

實(shí)驗(yàn)中Jincheng Zhuang采用的分子束外延法（MBE）和固相反應(yīng)法合成了硅烯材料，詳細(xì)的合成過程我們就不做介紹了，感興趣的朋友可以索要原文進(jìn)行查看。下圖是Jincheng Zhuang合成的硅烯材料的STM圖像，從圖上我們可以看到蜂窩狀的硅烯材料呈現(xiàn)出′結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)模式中，6個(gè)Si原子并不處在同一個(gè)平面上，其中兩個(gè)原子向上彎曲，一個(gè)原子向下彎曲，呈現(xiàn)ABA結(jié)構(gòu)。同時(shí)在′結(jié)構(gòu)中的無質(zhì)量載流子也能夠極大的提高硅烯材料的導(dǎo)電性，從而克服了長期以來困擾Si負(fù)極材料導(dǎo)電性不好的難題，Si烯的采用可以極大的提高硅負(fù)極電池大電流充放電的能力。

在硅烯材料的穩(wěn)定性研究中發(fā)現(xiàn)，不同于單層硅烯材料，多層硅烯材料，無論是在純氧氣還是空氣中都十分穩(wěn)定，不易與氧氣發(fā)生反應(yīng)。多層硅烯材料具有較大的比表面積可以顯著的降低Li擴(kuò)散的距離，層間較大的空間也能夠很好的緩沖嵌鋰過程造成的體積變化，因此是一種非常理想的負(fù)極材料。

硅烯材料的嵌鋰特性在合成硅烯之前就已經(jīng)通過軟件進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如下圖所示，Li原子懸浮于Si原子的上方，周圍有三個(gè)距離最近的Si原子與其結(jié)合，隨著嵌鋰的數(shù)量的增加，Li原子嵌入位置稍有偏移，最右側(cè)的Li0.5Si0.5則被當(dāng)作是硅烯材料的完全嵌鋰狀態(tài)。理論分析表明，硅烯材料的理論比容量在954mAh/g左右，完全嵌鋰體積膨脹不超過25%，并且Li+在硅烯內(nèi)部的擴(kuò)散能量壁壘很小，這些特性都使得硅烯材料成為一種合適鋰離子電池負(fù)極材料。

多層硅烯的合成方法如下圖所示，Jincheng Zhuang采用局部反應(yīng)法合成了三種多層硅烯材料，分別是完全氧化硅烯、部分氧化硅烯和非氧化硅烯，其中非氧化硅烯材料在做為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)展現(xiàn)出了最好的庫倫效率和循環(huán)性能。同時(shí)硅烯材料良好的導(dǎo)電性和較低的Li+擴(kuò)散能量壁壘使得硅烯材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能。由于目前局部反應(yīng)法制備的硅烯材料含有少量的氧原子，因此還可以通過進(jìn)一步提高硅烯材料的純度來改善硅烯材料的循環(huán)性能。

硅烯材料是近年來新興的一種二維材料，相比于傳統(tǒng)的晶體Si，硅烯材料具有許多獨(dú)有的屬性，例如良好的導(dǎo)電性，以及嵌鋰時(shí)較小的體積膨脹，都使得Si烯材料成為一種非常具有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。隨著硅烯材料研究的不斷深入，又將開辟鋰離子電池負(fù)極材料市場的一片藍(lán)海。