让锂电SiOx负极“又能打又抗造”！哈工大郑州研究院孙卿ACS Nano

稀、饭 1天前 107浏览

 

第一作者：李静，曾桂芳

通讯作者：孙卿*

SiOx作为下一代锂电池负极材料，具有高比容量（可达2000 mAh/g以上），在能量密度提升方面展现出良好前景，尤其适用于高性能电动汽车和消费电子领域。然而，其在充放电过程中存在严重的体积膨胀和界面不稳定问题，导致循环寿命短、首效低、成本高等挑战，限制了其大规模商业化应用。近日，哈工大郑州研究院孙卿等提出了一种巧妙的“晶相调控”方法，通过在热处理中引入微量助熔剂，成功将无定形SiOx部分转化为类石英晶体结构，显著提升其结构稳定性与循环性能，为商用锂离子电池负极材料的进阶提供了全新思路。

 

【研究亮点】

  • 不再依赖纳米结构或多孔材料，而是对微米级SiOx颗粒进行“晶相重构”，兼顾高容量与稳定性。
  • 巧用助熔剂调控晶化：通过高温热处理，助熔剂诱导部分无定形SiOx转化为类石英结构，实现“玻璃→水晶”的蜕变。
  •  多手段深入揭示机制：结合XRD、XPS、FTIR、Raman表征与第一性原理模拟、有限元分析，全面揭示结构演化与电化学性能之间的关联。
  • 性能表现优异：初始库伦效率提升至90.05%（预锂化后），与石墨复配后在全电池中循环400圈容量保持率超90%，比未处理的微米SiOx拥有更强的抗裂、抗锂耗能力。
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【具体分析】

    研究通过引入微量LiF助熔剂（如1 wt%），在900°C下诱导SiOx局部结晶形成类石英结构。该结构不仅本身几乎不与锂反应，还能稳定SiOx中的氧元素，降低不可逆锂耗。更重要的是，石英晶体像铆钉一样分布于材料内部，有效缓解体积应力，抑制开裂，是负极材料的“稳定基石”。 XRD & Raman显示：石英与晶化Si的形成程度随LiF添加量增加而增强；FTIR：Si-O键局域结构发生改变，形成更有序的[SiO4]网络；HRTEM：1 LFSOC中可见石英和Si纳米晶域共存，构建稳定复合骨架。

研究结果显示，处理后的纯SiOx负极以及其混配石墨的混合负极均表现出更优异的循环性能以及库伦效率。特别值得注意的是，处理后的SiOx负极与商用石墨搭配后，在全电池中的循环性能大幅优于未处理组，展现了实际应用前景。这项工作从多维度分析了晶体工程带来的优势，系统性地阐明了为何“小晶体”能起“大作用”：分散的石英晶体，像“缓冲垫”一样，减少边界应力集中；分散的第二相可以减缓SiOx颗粒裂纹扩展，提升机械稳定性；颗粒的表面成分调控可以改善SEI形成和成分组成，使其富含高导LiF成分，提升界面稳定性和Li+传输能力。

研究团队表示，该方法不仅在实验中展现出优异的电化学性能和循环稳定性，还具备良好的兼容性与可扩展性，能够直接应用于现有的SiOx/Gr（硅氧/石墨）复合负极制造工艺中。其操作简便、成本可控，适应工业化生产需求，已经为该技术在商业化锂电池中的推广奠定了坚实基础。这一创新策略为开发下一代高能量密度、长寿命的锂离子电池提供了更加稳定可靠的新方案，具有重要的应用前景和推动意义。

 

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03074

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