中国粉体网讯  硅具备4200 mAh g^-1 的显著高容量，并且储备丰富，被认为是快速充电高能量密度锂离子电池的替代负极候选者。

然而，硅负极由于其两个关键的内在问题使硅的商业化受到了阻碍：

① 循环中的巨大体积膨胀（> 300％）可能导致结构粉碎，连续形成的固体电解质界面层以及颗粒间电接触的丧失，从而导致快速容量损失。 

② 较差的电子电导率（~10^-4 S m^-1）严重阻碍电子传输，从而导致较差的倍率性能。

解决上述问题的最有效的策略是硅的纳米化和随后的碳复合。

南方科技大学机械与能源工程系赵天寿、韩美胜课题组在《Carbon Energy》期刊发表名为“Multilevel carbon architecture of subnanoscopic silicon for fast-charging high-energy-density lithium-ion batteries”即“用于快速充电的亚纳米硅的多级碳结构”的论文，研究提出了一种亚纳米硅多级碳结构：通过使用热CVD将垂直石墨烯片锚定在亚微观均匀分散的Si–C复合纳米球的表面上，随后通过高温碳化将其嵌入碳基体。

在亚纳米硅多级碳结构的负极中，Si–C纳米球中的亚纳米C、VGS和碳基体形成三维导电和鲁棒网络，显著提高了电导率并抑制了Si的体积膨胀，从而促进了电荷传输，提高了电极稳定性。

亚纳米硅多级碳结构在工业电极条件下表现出优异的储锂性能。在半电池中，亚纳米硅多级碳结构提供高容量（1279.6 mAh g⁻¹），卓越的速率能力（在20 A g ⁻¹电流密度下具有676.4 mAh g⁻¹的容量），以及高容量保持率（在5A g^-1的电流密度下循环1000次后容量保持率为81.3%）。值得一提的是，全电池表现出卓越的快速充电能力，具有高能量密度和长循环寿命。

亚纳米级硅复合材料制备

乙烯可以阻止Si-Si键的形成，同时形成多个Si-C键，最终促使在热分解过程中形成亚纳米尺寸的Si团簇。研究员采用乙烯作为硅烷热分解过程中的颗粒生长抑制剂，制备了亚纳米尺寸的硅负极。与纯硅烷分解不同，在纯硅烷分解过程中硅颗粒是不断增大的；而乙烯与硅烷反应，形成Si-C的键能有效保持亚纳米颗粒尺寸。Si-C键的形成有助于生成结构稳定的微晶SiC基体，这不仅防止了自然SiO₂层的形成，而且有助于在长期循环过程中保持C-Si层形态完整性。

利用复合气体（SiH₄和C₂H₄）通过化学气相沉积的方法制备镶嵌在稳定的碳化硅和非晶碳双重基体（SiC/a-C基体）中的亚纳米级Si（<1 nm）层状结构（简称CSI层）。CSI层覆盖了碳质支撑骨架，该电极材料的可控容量超过1262 mAh g^-1，库仑效率为90.0%，且电解质界面没有任何裂纹或粉化，表现出优异的循环稳定性。亚纳米级的硅负极在循环50次后仍具有99.96%的库伦效率。

针对各类负极材料的产业化技术与国内外市场状况，中国粉体网将于10月25-26日在东莞举办第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛。届时，南方科技大学工学院机械与能源工程系副研究员韩美胜将作题为《亚纳米级硅与碳复合粉体制备及其性能研究》的报告。报告将对亚纳米级硅与碳复合粉体制备及其性能研究展开介绍。

专家简介：

韩美胜，现为南方科技大学工学院机械与能源工程系副研究员、松山湖材料实验室客座专家、深圳市“鹏程孔雀计划”特聘岗位C类人才、中科院一区期刊Rare Metals青年编委、国际科学组织Vebleo Fellow和中信部电池制造高级工程师。主要从事研究方向为二次离子电池新型高性能电极材料的结构设计与合成，发表英文论文50余篇，期刊包括Advanced Materials、Nature Communications、ACS Nano、Carbon Energy、Nano-Micro Letters、Advanced Science等，申请国家发明专利20余项，主持/参与国家自然科学基金重大项目、科技部重点专项、国家省市级与横向项目10余项。

参考来源：

1. Multilevel Carbon Architecture of Subnanoscopical Silicon for Fast-Charging High-Energy-Density Lithium-Ion Batteries.

2. Subnano-sized silicon anode via crystal growth inhibition mechanism and its application in a prototype battery pack.

（中国粉体网编辑整理/苏简）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！