寧波材料所納米硅基負極材料研究取得進展

　　相對于傳統石墨負極材料（372mAh/g），硅負極材料具有極高的理論比容量（3580mAh/g），是未來高能量密度動力鋰離子電池負極材料首選。但硅負極材料在充放電循環過程中存在體積變化（高達3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發SEI膜反復再生庫倫效率低，電接觸變差極化增大，使實際硅負極材料循環壽命和倍率性能較差。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室自2011年開展硅基負極材料的研究開發，已取得系列進展。2012年報道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復合負極材料。近日，又報道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復合負極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結構CaSi2的拓撲轉變，在酸性溶液中化學剝離Ca原子（圖1a），留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩定，在水溶液中氧化得到亞穩態二維硅氧烯（圖1b），二維硅氧烯經過合適的熱處理條件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復合負極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無定型硅氧化物（圖1c）。二維結構可有效減少鋰離子遷移路程，納米硅和硅氧化物可有效降低了體積膨脹率，因此采用該方法制備的2D nano-Si/SiO2@C表現出優異的循環穩定性和倍率性能。電化學性能測試表明，在0.15A/g條件下，首次放電容量大于950mAh/g，在7.5A/g的大電流密度下，放電容量達360mAh/g，相比于文獻已報道的硅或硅氧化物材料，倍率性能具有顯著優勢（圖2）；在1.5，3.0和7.5A/g的大電流密度下，循環300周容量保持率分別為73%，73%和92%（圖3）。該新型2D nano-Si/SiO2@C負極材料，有望應用于長續航電動汽車（圖4）。

　　該研究工作以Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries為題發表在Nano Energy上。

　　研究工作得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金、中科院重點部署項目、中科院先導專項與寧波石墨烯應用技術研發項目的資助。