中國粉體網訊 鋰離子電池(LIB)以壽命長、儲電性能好、能量密度高、工作電壓高等優點，已成為便攜式電子、電動汽車和替代能源經濟的基石。改良電極材料，是提高LIB電化學性能最關鍵可行的方法。目前，電極材料研究已經超越了傳統的碳基石墨負極，向過渡金屬氧化物、錫和硅基材料等替代材料發展。
硅在地殼中的儲量豐富程度僅次于氧元素。憑借其電子特性，尤其是高容量，這種富有前景的負極材料受到廣泛關注。然而，這種材料在運行過程中的體積變化很大，從而影響其穩定性、結構完整性和電性能，導致在充放電過程中出現顆粒破碎或集流器剝落等問題。
日本Advanced Institute of Science and Technology（科學技術高等研究院）研究團隊從閃鋅礦獲得靈感，提出一種在較低溫度下制備β-SiC基負極材料的合理設計，研究成果發表于“Materials Chemistry A”期刊。
閃鋅礦系統中的三維金屬間化合物結構，可在其間隙位置輕松容納鋰離子。當鋰離子在主體材料之間穿梭時，這種結構的體積變化很小，從而實現更好的壽命和可逆性。β-SiC是一種變體閃鋅礦材料，也被稱為立方碳化硅，富含具有四面體對稱配置的間隙位點可容納鋰離子，同時它有著不同尋常的機械、熱和化學穩定性。但是β-SiC表面鋰化能非常高，而且制備需要高能耗的碳熱合成過程（溫度達1700-2500℃），這些阻礙了其在電池領域的適應性。
該團隊設計了一種兩步合成工藝制備β-SiC基負極材料：第一步是在聚多巴胺基質中形成硅納米顆粒；第二步是在摻雜氮的碳基質中將其轉化為β-SiC納米顆粒的特殊變體。與傳統方法相比，這種轉換過程需要的溫度更低，可低至600攝氏度。這種方法確保了嵌入的β-SiC納米顆粒與主體碳基體的無縫集成，這是在鋰化-脫鋰過程中有效促進電荷和傳質的急需特性。
研究團隊將所獲得的材料用于電池配置，并進行電化學篩選。結果表明，該電池具有較高的電流密度、額定容量和良好的可逆鋰離子存儲兼容性。此外，還表現出高容量保持率，在300次充放電循環后，可保持約94%的容量，放電容量保持在1195 mAhg-1和在1000mAhg-1下525次循環后為707mAhg-1。
利用這種β-SiC基合成材料為負極材料成功的應用到全電池（商用LiCoO2為正極）中，這種結合方式的全電池展示了β-SiC在商業LiB系統中的巨大應用潛力。總體而言，這項研究可能是制造電化學活性β-SiC基電極的關鍵環節，為眾多β-SiC可應用于LiB方面打開了大門。
參考來源：
Zinc blende inspired rational design of a β-SiC based resilient anode material for lithium-ion batteries
（中國粉體網編輯整理/青黎）
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