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从SiO2到锂电负极，性能提升新策略
发布时间:
2025-01-26
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▍成果简介
开发高比容量、高循环稳定性的锂离子电池负极材料至关重要。韩国成均馆大学Jae-Young Choi团队在EcoMat发表题为“Precision integration of uniform molecular-level carbon into porous silica framework for synergistic electrochemical activation in high-performance lithium–ion batteries”的研究论文，提出一种新颖的负极材料制备方法，作者合成了分子级均匀碳并将其集成到多孔二氧化硅纳米颗粒（SiO2@C NPs）中，以增强电化学活性。作者通过改变苯基三甲氧基硅烷（PTMS）和四乙氧基硅烷（TEOS）溶胶-凝胶反应前驱体的比例，精确控制SiO2@C NPs中的碳含量和孔隙率。当PTMS和TEOS的比例为4:6时，SiO2@C NPs表现出高度介孔结构，具有薄碳层和部分还原的SiOx相，可以在SiO2@C NPs的电化学活化过程中平衡离子和电荷的传递，从而显著提高了容量和循环性能。本研究提供了一种提高二氧化硅基负极材料电化学性能的新策略。
▍图文导读
图1 (A) 前驱体TEOS和PTMS的分子结构。(B) SiO2@C-P4在氮气中退火（用于碳化）和空气中退火（去除碳）以及在HF中蚀刻（去除硅和氧）后的HRTEM和EDS图像。(C, D) SiO2@C纳米粒子的氮气吸附-脱附等温曲线和测得的BET比表面积。
图2 不同PTMS与TEOS比例碳化后的SiO2@C纳米颗粒的SEM图像。PTMS的比例分别为 (A) 0:10，(B) 2:8，(C) 4:6，(D) 6:4，(E) 7:3，和 (F) 10:0。
图3 (A, B) 碳化后SiO2@C纳米颗粒的热重分析（TGA）曲线。(C) 阴极峰电流与扫描速率的线性关系图和 (D) 计算得到的SiO2@C纳米颗粒的k值。
图4 (A) SiO2@C纳米颗粒在100 mAh g−1电流密度下的循环性能；(B) 在0.1、0.2、0.4、0.6、1.2和1.8 A g−1不同电流密度下的倍率容量；(C) SiO2@C纳米粒子在0.1 mV s−1扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；(D) 初始循环时的相应充放电曲线。
图5 (A) 通过X射线荧光（XRF）分析测得的Si、O和C的组成；(B) SiO2@C纳米颗粒的Si 2p峰的X射线光电子能谱（XPS）图谱。(C) O/Si摩尔比和Si 2P峰结合能随PTMS: TEOS比例的变化图；(D) 比表面积（BET）和电导率随PTMS: TEOS比例的变化图。
图6 (A) 颗粒结构和SiO2@C纳米颗粒性能的机制示意图。(B) 第五次锂化过程中的SiO2@C-P4电极的HRTEM图像和 (C) 快速傅里叶变换（FFT）图。(D) 第五次锂化过程中的SiO2@C-P0电极的HRTEM图像。
▍文献链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12469
文章来源：高低温特种电池
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