近日，实验室矿物分离所张颖副研究员与美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）Zheng Chen教授、Wei Tang博士等合作，在国际权威期刊ACS Nano（郑大Top期刊，IF 17.1）上发表研究论文。本文第一单位为中原关键金属实验室，受高峰攀登计划优秀青年科学家项目资助（GJJSGFYQ202315）。
在“双碳”背景下，新能源汽车急需高能量密度的动力电池，但现有石墨负极难以满足需求（理论比容量仅372 mAh/g）。硅（Si）因其超高的理论比容量（3580 mAh/g），被视为下一代负极材料。然而，Si负极在电池充放电过程中，会产生巨大的体积膨胀效应（~400%），导致电池容量迅速衰减。为改善这一难题，研究人员致力于设计各种Si纳米材料；可纳米Si涉及复杂的合成工艺与较高的生产成本。
本工作以具天然片层结构的矿物蒙脱石（montmorillonite）为原料，利用局域还原法，把硅氧四面体还原成Si/SiO2，酸洗刻蚀Al2O3，得表面带孔的层状硅材料（M-Si）；材料的层间空隙和孔结构可缓解Si锂化时的体积膨胀（图1a）。SEM观察到M-Si保持层状形貌，且表面分布有众多孔隙（图1b）。TEM发现，M-Si微观结构为晶体Si分布于无定形SiO2网络中（图1c）。进一步，考察M-Si负极的电池性能（图1f），其以0.2C循环500圈后，比容量保持在1130 mAh/g（石墨的3倍），保持率达92%；即使以0.5C循环1000圈后，比容量仍有860 mAh/g，保持率83%。而其500圈的充放电曲线几乎重合（图1g），再次确认优异的循环性能。藉由聚焦离子束（FIB）切片技术，观察到原始M-Si截面呈“错乱排列”的层状结构（不同层之间由SiO2连接），且层与层之间含大量空隙和孔结构（图1d）。嵌锂后，材料截面仍维持层状结构，但空隙和孔结构被填满（图1e）。研究表明，材料层状结构间的空隙和孔结构能缓冲锂化过程中的体积膨胀，而内部SiO2能保持整体结构的完整性，故而协同改善了Si材料的循环性能。
本工作发展了一种由矿物原料到Si材料的技术路线，借助先进表征手段探明了材料锂化过程的性能增强机制，实现了传统矿物在新能源领域的高值化利用，为未来硅负极材料的开发设计提供了一定的借鉴与指导。
图1 (a)蒙脱石、蒙脱石衍生硅（M-Si）、M-Si锂化模型，(b) M-Si材料SEM图，(c) M-Si材料TEM图及晶格条纹，(d)原始M-Si材料FIB切片截面图，(e)嵌锂态M-Si材料FIB切片截面图，(f) M-Si负极循环性能，(g)充放电曲线
论文信息
Ying Zhang, Wei Tang*, Hongpeng Gao, Mingqian Li, Hao Wan, Xiaodong Kong, Xiaohe Liu, Gen Chen, Zheng Chen*. Monolithic Layered Silicon Composed of a Crystalline-Amorphous Network for Sustainable Lithium-Ion Battery Anodes.ACS Nano, 2024, 18, 15671-15680.https://doi.org/10.1021/acsnano.4c01814
