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李玉良&黃長水AEM: 對Li+, Na+, K+具有良好的存儲和擴散特性的多孔3D硅-金剛石

對于鋰離子電池（LIB）、鈉離子電池（NIB）、鉀離子電池（KIB）等不同種類的堿金屬離子電池，由于這些離子的直徑和性質不同，同一種材料很少可同時用作這些電池的負極。為了實現多功能的相容性材料，需要預先設計其化學成分和空間構型，以擁有豐富的儲存位點和有效的擴散路徑。

在此，中科院化學所李玉良院士、青島能源所黃長水研究員等人報道了一種明確定義的富含炔烴的3D材料，稱為硅-金剛石 (Si-DY)，它由丁二炔單元和sp³雜化的Si原子組成。類金剛石骨架結構保證了這種材料的穩定性，而共軛炔鍵提供了良好的電荷傳導性、大量的活性存儲位點以及作為堿金屬離子擴散通道的均勻空穴，這些優點賦予Si-DY作為多功能負極的巨大潛力。

圖1. Si-DY的合成過程示意圖

理論預測表明，多孔Si-DY特別適用于鋰、鈉和鉀等離子的存儲，理論容量分別為3674、2810和1945 mAh g^-1。因此，當用作LIBs、NIBs、KIBs甚至軟包電池的負極時，Si-DY表現出優異的電化學性能，例如高可逆容量（LIB、SIB和KIB在50 mA g^-1時分別為2350、812和512 mAh g^-1）、出色的倍率性能（5000 mA g^-1時為 980 mAh g^-1）和超長循環穩定性（可穩定循環5000次）等，這都表明Si-DY在未來的電動汽車中具有巨大的應用潛力。

圖2. Si-DY負極的理論計算和電化學分析

Porous 3D Silicon-Diamondyne Blooms Excellent Storage and Diffusion Properties for Li, Na, and K Ions, Advanced Energy Materials. 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101197

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