能源AngewChem硅碳原子
硅碳复合负极材料是最有希望取代石墨负极的下一代锂离子电池负极材料。目前的研究，碳的复合通常是采用化学包覆或者物理混合来实现，碳在复合材料中不能实现完全均匀的分布，导致在深度循环过程中库伦效率快速衰减，循环稳定性下降。如果能够实现碳在原子尺度下均匀分布于硅基框架中，在后续的长循环过程中，库伦效率是否可以得到改善？
针对这一问题，东华大学的杨建平教授团队选取 桥联的有机硅前驱体，采用溶胶-凝胶法和高温煅烧两步反应，制备出一种新的多孔硅基复合负极(ASD-SiOC)。由于前驱体中碳源与Si-O-Si骨架为分子尺度下的复合，所制备的ASD-SiOC负极可以实现硅原子与碳原子在原子尺度下的均匀复合。电化学性能测试表明，这种负极材料表现出优异地循环稳定性和结构稳定性。在0.2Ag-1的电流密度下，第2圈库伦效率为95.4%，从第2圈到第圈的平均库伦效率为99.3%。在5Ag-1的大电流密度下，从第11圈到第圈的平均库伦效率为99.8%。
机制研究表明：在首圈嵌锂过程中，亚纳米SiOx单元参与反应生成氧化锂、 锂和硅锂 ，丰富的微孔孔道很好地吸收了这一过程地体积膨胀。 圈脱锂之后，硅锂 脱锂形成单质硅，原位形成的氧化锂和 锂既作为保护层又可以加快锂离子的扩散和传输。被包覆的硅亚纳米颗粒均匀地分散于微孔碳三维网络中，作为第二道保护屏障确保了长循环的稳定性。
这种新的设计具有众多优点：1）活性基质SiOx单元与碳可以实现原子尺度下的复合；2）碳三维网络有效提高了材料的导电性；3）多孔结构既缓冲了体积膨胀，又加快了锂离子的传输；4）亚纳米尺度下均匀分散的碳三维网络可以实现亚纳米SiOx单元的局域保护，在深度循环过程中维持结构的完整性。5）在后续的循环过程中，ASD-SiOC负极可以转化为更加稳定的复合结构，可以实现高的库伦效率。
该研究表明碳分布对于保持复合负极材料的结构和性能稳定性具有非常重要的作用，也为硅碳复合负极材料的设计提供了一个新的思路。
相关结果发表AngewandteChemieInternationalEdition上，文章的 作者是东华大学材料学院的博士研究生朱冠家。
该论文作者为：GuanjiaZhu,FangzhouZhang,XiaominLi,WeiLuo,LiLi,HuiZhang*,LianjunWang,YunxiaoWang,WanJiang,HuaKunLiu,ShiXueDou,JianpingYang*
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