核卫星壳结构硅负极东华大学杨建平
硅以其极高的理论比电容量(mAh/g)和低放电电压(0.5Vvs.Li?/Li)已成为研发高能量密度锂离子电池的重要负极材料。然而鱼和熊掌不可兼得，硅负极虽然比电容量大，但在充电过程中因与锂 化，自身体积会膨大约倍。巨大的体积变化往往会胀裂电极颗粒，极大地缩短电极寿命。目前主要有两种应对硅电极体积膨胀的策略：(1)在硅表面附着碳膜[图1a(1)]或(2)制备硅-空隙-碳壳的卵 结构[图1a(2)]。两种方法均可缓解体积膨胀对硅颗粒结构的破坏，但都不尽完善：碳膜包覆虽能减缓颗粒碎裂，但由于硅和碳之间并无缓冲空间，且无定形碳膜力学性能弱，硅颗粒破裂无法避免；卵 结构具有缓冲空间，并可包裹住破碎的硅颗粒防止活性物质损耗，但空隙不能储电，浪费了电极体积。
为规避上述方法的缺陷，东华大学杨建平课题组近日展示了一种新型的硅电极结构设计思路。他们基于卵 模型，将空隙中填满细小的硅颗粒，形成核-“卫星”-壳结构[图1a(3)]。这种结构的优点在于：1)卵 结构可缓冲硅颗粒的形变；2)空隙中的“卫星”颗粒具有储电活性，提高了电极体积利用率。相关工作发表在ChemicalCommunications上(DOI:10./C9CCK)。
合成具有核-“卫星”-壳结构的硅颗粒(Si
pSiC)涉及三步主要反应（图1b）。首先将正 (TEOS)于氨水中水解，在硅颗粒（直径约60nm）表面形成一层约30nm厚的 化硅膜。随后在 化硅表面沉积一层酚醛树脂，通过在氩气（含5%氢气）中°C灼烧4小时碳化树脂形成碳层。 用镁热反应通过金属镁将SiO?中层还原为硅“卫星”颗粒，制成SipSiC。电镜图像显示SipSiC颗粒完整性良好（图2a），且具备核-“卫星”-壳的三层结构（图2b）。▲
图1.(a)三种稳定硅负极之策略：(1)碳膜包覆；(2)卵 （核-空隙-壳）结构；(3)核-“卫星”-壳结构。(b)具有核-“卫星”-壳结构的硅颗粒（Si
pSiC）合成步骤。相比于碳包覆(Si
C)和卵 结构的硅颗粒电极(SivoidC)，SipSiC的储能性能更加优异。SipSiC在mA/g和mA/g电流密度下的比电容量分别达和mAh/g，均高于SiC及SivoidC（图2c）。此外，SipSiC的比电容量在mA/g电流密度下连续充放电次后仍能保持在mAh/g，平均库仑效率99%。而SiC和SivoidC在同样测试条件下分别只保持在和mAh/g（图2d）。因此，核-“卫星”-壳结构不仅提升电极的比电容量，还延长了电极寿命。▲
图2.Si
pSiC的(a)扫描电镜图和(b)透射电镜图。三种电极的(c)倍率性能及(d)循环稳定性（测试条件：mA/g，1MLiPF?, 酯： 二 ： 二 =3wt.%：4wt.%：3wt.%，5wt.%氟代 酯）。本文展示的核-“卫星”-壳结构构筑思路有望为设计压实密度大、能量高的能源存储器件（如钠、钾离子电池和超级电容器）电极提供参考。
本报道作者刘田宇博士年毕业于北京科技大学化学系，获理学学士学位。年毕业于美国加州大学圣克鲁兹分校(UniversityofCalifornia,SantaCruz)，获物理化学博士学位。主要研究方向为微、纳米材料（特别是多孔碳材料）的制备及其在电化学能源转化和存储领域中的应用。目前担任英国皇家化学会旗下化学类期刊ChemicalCommunications官方博客博主。更多信息请参见其个人主页：治白癜风要花多少钱白癜风症状特点是什么
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