深圳大学刘剑洪、张黔玲、胡江涛SSTR：离子/电子双导体包覆层的制备促成高性能硅负极

为克服当前锂离子电池的能量密度瓶颈，硅(Si)负极受到了学术界和企业界的特别关注。然而，硅负极在嵌脱锂过程中巨大的体积变化以及剧烈的界面副反应使其性能急剧下降，阻碍了其商业化应用。在充放电过程中，硅颗粒粉化伴随着离子/电子导电网络的破坏被认为是其性能衰减最重要的原因。因此，在电化学过程中维持电子和离子电导网络稳定对于硅负极性能的提高和未来的商业推广具有重要意义。

深圳大学刘剑洪、张黔玲、胡江涛课题组报道了一种原位构建复合材料的方法制备得到三维网络状结构的离子/电子双导体包覆纳米硅负极材料（Si@Li₄SiO₄/C/CNTs）。该Si@Li₄SiO₄/C/CNTs负极具有出色的长循环稳定性(在1 A g⁻¹的电流密度下，580次充放电循环后容量保留率为98.6%)和突出的倍率性能(在2 A g⁻¹的电流密度下，放电比容量为734 mAh g⁻¹)。研究结果表明，原位形成的快离子导体涂层有利于Li⁺的快速扩散，碳纳米管与非晶碳(聚乙烯吡咯烷酮衍生碳)构建的三维网络结构有效地增强了电极的结构稳定性，保持了电极导电网络的完整性。本研究提供一种离子/电子双导体包覆硅基负极材料的设计理念。该工作共同第一作者为深圳大学化学与环境工程学院专职副研究员黎烈武和硕士研究生杜保荣。

图1 a) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs的合成过程示意图。b)、 c)、 d) 及e)分别为Si、Si@SiO_x、Si@Li₄SiO₄/C/CNTs、Li₂O的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像，e)中插入的是Li₂O的傅里叶变换(FFT)图。f) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs的元素分布图。

【图1】

图2 a) Si和Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极在0.5 A g⁻¹时的循环性能及相应的库仑效率。b) Si和Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极在0.1-2 A g⁻¹的倍率性能及相应的库仑效率。c) Si电极在0.5 A g⁻¹时第10、50、100、200和300次循环的充放电曲线。d) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极在0.5 A g⁻¹时第10、50、100、200和300次循环的充放电曲线。e) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极在1 A g⁻¹时的长期循环性能和相应的库仑效率。

【图2】

图3 a)和d) 分别为Si电极循环测试前和测试后的截面SEM图像。b)和e) 分别为Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极循环测试前和测试后的截面SEM图像。c)和f) 分别为Si和Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极循环测试后的TEM图像。g) Si和Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极的电化学阻抗谱。h) Si和Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极的低角频率倒数平方根相对实阻抗图。i) Si和Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极对应的锂离子扩散系数。

【图3】

图4 C 1s、O1s、F1s、Li 1s循环测试前的高分辨率XPS谱: a-d) Si和i-l) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极。C 1s、O1s、F1s、Li 1s循环测试后的高分辨率XPS谱:e-h) Si和m-p) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极。循环测试后，q) Si和r) Si@Li₄SiO₄/C/CNTs电极的性能衰减机理示意图。 

【图4】

通讯作者简介： 

刘剑洪，深圳大学化学与环境工程学院教授，博士生导师，深圳市高层次人才，深圳应用技术大学兼职教授，曾经担任深圳大学科技处处长、深圳大学化学与环境工程学院院长等职务。现任深圳市功能高分子重点实验室主任、深圳市类石墨烯复合锂离子动力电池工程实验室主任，兼任深圳市化学化工学会理事长、广东省化学会副理事长、深圳市石墨烯协会副会长、深圳市电池协会副会长、中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、中关村石墨烯产业联盟执行副理事长。主要研究领域为功能高分子材料、石墨烯的制备与应用、锂离子电池及关键材料等。先后承担了国家863计划、973项目、国防973项目、国家自然科学基金重点和面上项目、广东省自然科学基金重点项目、深圳市科技计划项目等30多项；多次荣获教育部、广东省和深圳市科技进步奖项；在国际知名期刊Energy&Environmental Science、Advanced Materials、Appiled Catalysis B: Environmental、Nano Energy等期刊发表论文200多篇。申请获得了中国、美国、欧洲、日本等发明专利70多项；多项科研成果已成功实现产业化；创办了深圳市本征方程石墨烯技术股份有限公司，致力于石墨烯及其复合材料的制备及产业化应用。

团队网站：

www.szugraphene.com.

张黔玲，深圳大学化学与环境工程学院教授，博士生导师。2001年毕业于中山大学化学专业，获博士学位。2001年7月起在深圳大学工作。担任国家自然科学基金通讯评议专家、广东省自然科学基金通讯评审专家、国际学术期刊Energy & Environmental Science、Applied Catalysis B: Environmental等特约审稿人。近年来一直从事石墨烯及其复合材料的设计合成及其在能源存储与转化等方面的应用研究，取得很多创新性成果。近年来主持完成10多项国家自然科学基金、国防973项目子课题、广东省自然科学基金项目 、深圳市重大产业技术攻关项目和深圳市基础研究重点项目等；在Energy & Environmental Science、Science China Chemistry、Applied Catalysis B: Environmental等期刊上发表SCI收录论文200多篇，论文被他引4000多次；获广东省科技进步二等奖1次、广东省科技进步三等奖1项、深圳市科技进步一等奖1项、二等奖1项；申请获得国际、国内发明专利40多项；2006年被评为广东省高等学校“千百十工程”校级培养对象， 2009年被认定为深圳市高层次人才地方级领军人才，2021年被评为深圳大学优秀学者。 

胡江涛，深圳大学化学与环境工程学院副教授。2018年获得北京大学理学博士学位；2018-2021年在美国西北太平洋国家实验室从事博士后研究。2021年12月加入深圳大学，在化学与环境工程学院石墨烯及其复合材料研究中心开展新能源材料研发及应用研究工作。长期致力于新型二次电池关键材料及电极结构的研究，研究领域包括正极材料的设计开发、储存机制探索及电化学性能优化；负极材料（石墨、硅、锂金属等）的稳定性及脱嵌机制研究；新型电解质（水系、有机系）的开发及海洋（盐湖、废旧锂电池等）锂资源的提取和再利用等。以第一作者（含共同一作）发表SCI论文29篇，包括Joule、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、Advanced Functional Materials，Nano Letters、Energy Storage Materials和Nano Energy等，累计发表SCI论文69篇，总引用2300余次，H因子25；已获中国授权发明专利2项，美国发明专利1项。

论文信息：

Ionic/Electronic Dual-Conductor Coating Layer Fabrication Enabling High-Performance Silicon Anode

Liewu Li¹, Baorong Du¹, Yizhao Yang, Shenghua Ye, Tao Huang, Shaoluan Huang, Xiangzhong Ren, Jiangtao Hu*, Qianling Zhang*, Jianhong Liu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200296

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