Carbon Energy：碳涂层助力硅电极的电化学稳定性

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第一作者：ShuoZhou, Chen Fang；通讯作者：Gao Liu

通讯单位：美国劳伦斯伯克利国家实验室

论文DOI：10.1002/cey2.28

【全文速览】

利用聚偏二氯乙烯（PVDC）前驱体在硅纳米颗粒表面形成紧密碳涂层，研究了紧密碳涂层对硅的电化学反应性质的影响，并首次报道了由紧密碳涂层包裹的硅纳米颗粒在电化学过程中的两相变化反应（two-phasetransformation）。

【研究背景】

硅作为新一代的锂离子电池负极材料有着4200 mAh/g超高理论容量，是传统石墨电极的10倍以上。然而由于硅电极在脱嵌锂过程中高达300%的体积变化以及导电性差的原因，导致硅电极的电化学性能不稳定。碳材料有良好的导电性和机械性能，可以作为硅材料的包覆涂层来解决硅电极电化学稳定性差的问题。目前有许多关于硅碳材料的设计和报道，然而缺乏关于碳包覆层对硅电极的电化学反应过程的影响研究。

【内容概述】

实验发现，紧密碳涂层包裹的硅纳米颗粒有着良好的电化学性能， 在前20次充放电循环中430 mV位置，有明显脱锂平台。对应的dQ/dV如下图（左）所示，在430 mV处出现明显的脱锂峰。在30次充放电循环之后，硅碳电极库伦效率突然下降，同时在dQ/dV曲线中430 mV位置的脱锂峰消失。这个现象的原因如图右所示，在前20次充放电循环中，紧密碳涂层完整地包裹在硅纳米颗粒表面，此时硅的电化学反应为两相变化反应，即晶态硅在嵌锂过程中先形成无定形硅锂合金，最终形成Li_3.75Si晶态合金。在紧密碳涂层破裂后，两相反应消失，取而代之的是固态溶液反应（solid solution reaction），在此过程中晶态Li_3.75Si合金不再为主要锂化产物，硅锂合金始终保持非晶态。

另外，实验还发现，在高电流密度充放电时，有完整、紧密碳涂层的硅碳电极也会表现为固态溶液反应，这是由于碳涂层的动力学性质无法满足快速锂化/脱锂的要求。当使用小电流继续对该电极充放电时，硅碳电极恢复为两相变化反应，说明大电流充放电不会破坏硅碳电极的碳涂层。本项工作表明，紧密、完整的碳涂层有助于提升锂离子迁移效率和保持碳硅复合电极材料的完整，并有助于维持硅纳米颗粒的两相变化反应，从而提高硅电极的电化学稳定性。

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期刊网址丨

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/26379368

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https://mc.manuscriptcentral.com/cey2

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