北理工Small: 高性能二維介孔硅納米片負極

【引言】

二維納米材料由于其獨特的物理化學性能，在基礎研究及技術應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，已經被廣泛應用于光催化、電催化、能量存儲與轉化領域。在鋰離子電池方面，二維納米結構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性能，因而受到研究人員的廣泛關注。

在眾多負極材料中，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，成為了最有發展前景的高容量鋰電負極材料之一。然而，硅在充放電過程中會引起巨大的體積膨脹，導致材料顆粒粉化和脫落，嚴重影響其電化學性能。此外與零維、一維硅納米結構不同，二維硅材料生長的最大障礙源于其自身的晶體結構。通常，典型的二維材料具有強的層內共價鍵及弱的層間范德華力，這種顯著的表面能差異導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，要實現自發層狀生長極其困難。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、化學氣相沉積及模板誘導合成，但這些方法通常工藝復雜、成本高、前驅體不穩定、產率低而且儲鋰性能差。因此，采用低成本的方法實現優異電化學性能的二維硅納米片的大規模制備是一個意義重大且存在巨大挑戰的難題。

【成果簡介】

近日，北京理工大學曹傳寶教授團隊陳卓副教授指導博士生陳松在Small上發表了題為“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。作為鋰離子電池負極，與商業硅相比，循環性能有明顯改善。進一步通過均勻的碳包覆，實現了優異的儲鋰性能、循環穩定性及倍率性能。基于阻抗譜，擴散動力學分析及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構及碳包覆的協同作用：1）有效的促進了鋰離子的擴散；2）提高界面電荷轉移速率；3）緩解硅的體積膨脹。

【圖文導讀】

圖1 納米片合成示意圖及電鏡表征結果

(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 硅基負極的電化學性能

(a) Si納米片前三個循環的CV曲線；

(b) Si/C納米片前三個循環的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下商業硅顆粒、純硅納米片及Si/C納米片的循環穩定性比較；

(f) 不同電流密度下商業硅顆粒、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納米片的循環性能。

【小結】

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行為，對其進行碳包覆處理，結構表征及優異的電化學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極的電化學性能，同時也為開發與設計獨特的納米材料用于各種能源器件提供了新思路。

文獻鏈接：Scalable Two-dimensional Mesoporous Silicon Nanosheets for High-Performance Lithium Ion Battery Anode?(Small, 2018, DOI: 10.1002/smll.201703361)

• 本文由北京理工大學曹傳寶教授課題組供稿。

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