实现硅碳循环稳定性的又一前沿技术-电化学刻蚀

近日，美国太平洋国家实验室张继光等人采用电化学刻蚀的办法设计出了一种-石墨（Si/C-graphite）复合电极并提出了高稳定性硅基负极的设计原理，从电极厚度膨胀变化的角度说明了这种设计可有效缓解电极充放电过程中产生的体积膨胀问题。

图1. Si/C-graphite复合材料的示意图。

图2.(a) Si/C-graphite（1:2）电极的电压-容量曲线，Si/C-graphite（1:2）电极在0.4 mA/cm²电流密度下的循环性能曲线(b)和库伦效率曲线(c)，(d) Si/C-graphite（1:3）电极在0.3 mA/cm²电流密度下的循环性能曲线。

作者首先将碳通过化学气相沉积的办法沉积在预先刻蚀过的Si表面。然后掺入一定量的石墨，制备了Si/C-graphite复合材料。该材料和石墨相比具有相似的活性物质负载量（1.5-2 mAh/cm²）。作者设计的两种石墨掺杂量的（质量比分别为1:2和1:3）电化学性能均非常优异：（1:2）在0.4 mA/cm² (大约为C/5)电流密度下，容量约为1.89 mAh/cm2；Si/C-graphite（1:3）在0.3 mA/cm²(大约为C/5)电流密度下，容量约为1.62 mAh/cm²。相应的，换算为mAh/g单位后分别是~670 mAh/g和600 mAh/g。

当容量衰减到初始容量的80%时，（1:2）电极可循环500圈，Si/C-graphite（1:3）可循环700圈。Si/C-graphite（1:2）电极嵌满锂时，体积仅膨胀了~20%，脱锂后，体积收缩了~7%。当组装成全电池时（对电极活性物质Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂，简称NMC），和-Li半电池一样，NMC正极同样可以发挥出~146 mAh/g的比容量（充电电流0.5 mA/cm²，放电电流0.75mA/cm²）。300次循环后，容量保持率高达84%。

图3. Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂-Si/C-graphite（1:2）全电池的电压-容量曲线和循环性能曲线(b)。

同样的，这种设计思路也适用于SiO₂等其他硅基材料。本篇文章采用的简单电化学刻蚀办法来稳定硅碳材料的循环性能无疑又极大地推动了硅碳材料大规模商业化。

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参考文献：

X. Li, P. Yan, X. Xiao, J. H. Woo, C. Wang,J. Liu and J. Zhang, Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE00838D.

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