導電炭黑制備石榴狀硅碳復合材料，用于鋰離子電池

1成果簡介

　　硅材料作為鋰離子電池（LIBs）的負極材料時具有較高的理論比容量。硅/碳復合材料可緩解體積膨脹并增強導電性，從而提升鋰離子電池的電化學性能。本文，南京大學杜紅賓課題組在《ChemEurJ》期刊發(fā)表名為“Pomegranate–Like Nano-Confined Silicon Inside Conductive Carbon Black as Anode Materials for Lithium-Ion Batteries”的論文，研究提出一種基于低成本、易獲取的導電炭黑（XC）的新型制備石榴狀Si/C納米復合材料策略，結合濕化學還原與化學氣相沉積（CVD）技術。

　　制備過程首先采用簡便的濕化學方法，在XC中實現(xiàn)SiCl4的可控水解。隨后，采用新型離子液體-鎂還原體系將所得SiO?/XC前驅體還原為高結晶度硅顆粒（Si/XC），避免了傳統(tǒng)高溫鎂還原法產生的雜質副產物。最終通過CVD技術在石榴狀Si/XC復合材料外層包覆碳層，形成納米限域Si/C結構。該復合材料在鋰離子電池中展現(xiàn)出優(yōu)異的可逆容量與良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在1 A g?1條件下經400次循環(huán)后，Si/XC@C-0.5復合材料達到最高比容量835 mA h g?1，相較于活化后首輪循環(huán)（688 mA h g?1）的容量保持率達121%。本研究為制備高性能鋰離子電池用Si/C復合材料提供了可重復且可擴展的制備途徑。

2圖文導讀

圖1、Schematic diagram of the preparation of Si/XC@C material.

圖2.a) SEM images of XC-72R, b) SEM images of SiO2/XC-0.5, c) SEM images of Si/XC-0.5, d) SEM images of Si/XC@C-0.5, e) TEM images of Si/XC@C-0.5, f) HRTEM images of Si/XC@C-0.5, g) Element distribution map of Si/XC@C-0.5.

圖3、a) XRD pattern of XC-72R and SiO2/XC-0.5, b) XRD pattern of Si/XC-0.5 and Si/XC@C-0.5, c) Raman spectra of Si/XC-0.5 and Si/XC@C-0.5, d) TGA curve of Si/XC-0.5, Si/XC@C-0.2, Si/XC@C-0.5 and Si/XC@C-0.8 recorded under a flowing air steam, e) N2 adsorption/desorption isotherms of Si/XC@C-0.5, f) The corresponding pore size distribution of Si/XC@C-0.5.

圖4、a) Charge and discharge profiles for the first three cycles of Si/XC-0.5 at 0.1 A g?1, b) Long-term cycling performance of Si/XC and pure Si at 1.0 A g?1, c) Charge and discharge profiles for the first three cycles of Si/XC@C-0.5 at 0.1 A g?1, d) Long-term cycling performance of Si/XC@C at 1.0 A g?1.

圖5、a) The capacitive contribution of Si/XC@C-0.5 at 0.2 mV s?1, b) The capacitive contribution of Si/XC@C-0.5 at 1 mV s?1, c) Nyquist plots of Si/XC@C-0.5 after 10, 50, and 100 cycles (Inset shows the equivalent circuit diagram), d) Fitted results of line correlation between Z′ and ω?0.5, e) GITT profile of pure Si electrode, f) GITT profile of Si/XC@C-0.5.

3小結

　　綜上所述，我們提出了一種通過濕法化學還原與化學氣相沉積技術相結合的新策略，成功制備出具有卓越性能的石榴狀納米限制Si/C復合材料。我們成功地通過濕化學法將硅與導電性XC結合，隨后通過甲苯CVD工藝對材料進行碳涂層處理。與純硅材料相比，兩種碳的引入顯著提高了電極材料的導電性和電化學性能。具體而言，Si/XC@C-0.2電極在1 A g?1電流密度下經400次循環(huán)后容量保持率達157.7%，而Si/XC@C-0.5電極在400次循環(huán)后達到最高容量835 mA h g?1，是石墨容量的兩倍以上。該方法為制備鋰離子電池用高性能硅碳復合材料提供了可替代、可重復且可擴展的途徑。

　　文獻：
https://doi.org/10.1002/chem.202502213

來源：材料分析與應用