硅負(fù)極雖然具有非常高的容量，但由于其在充放電時(shí)發(fā)生巨大的體積膨脹、以及不穩(wěn)定的SEI等因素，實(shí)際應(yīng)用受到極大限制。

一般，改善硅負(fù)極的策略有三種：

1.?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：硅納米線、硅納米管、硅納米片、空心結(jié)構(gòu)等；

2.?結(jié)構(gòu)改性：碳包覆、MO_x涂層；

3.?組分調(diào)控：M?Si合金。

然而，硅負(fù)極的失效，原因還不止于此。

首先，硅和電解質(zhì)LiPF₆會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Li₂SiF₆；其次，充當(dāng)緩沖層的碳材料，會(huì)作為催化劑加快副反應(yīng)。因此，當(dāng)前急需一種新的硅負(fù)極保護(hù)方法。

在本文中，受高溫氣冷核燃料堆(HTGCRs)設(shè)計(jì)的啟發(fā)，清華大學(xué)魏飛教授課題組在硅負(fù)極與碳包覆層中間加了一層SiC作為保護(hù)層，有效的防止了硅負(fù)極的副反應(yīng)和快速失效。

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XRD中出現(xiàn)了Li₂SiF₆的衍射峰，表明硅負(fù)極和硅碳負(fù)極的確會(huì)與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，Si@C反應(yīng)前的粒徑為90 nm，反應(yīng)后的粒徑為2–3 μm。I_Si@C/I_Si的值約為18，表明在納米碳層的存在下，Li₂SiF₆形成的反應(yīng)速率增加了18倍。

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Si@SiC@C的基本形貌為球形，粒徑約為100 nm，其中碳包覆的厚度為8–10nm，SiC中間層的厚度為7–8 nm。0.25和0.31 nm的晶格間距分別為SiC的(111)晶面、與Si的(111)晶面。

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加入SiC保護(hù)層后，XRD沒有出現(xiàn)Li₂SiF₆的特征峰，表明副反應(yīng)被明顯抑制，這是因?yàn)?/span>SiC的加入會(huì)增加Li₂SiF₆形成的活化能，降低副反應(yīng)速率。

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Si@SiC和Si@SiC@C材料的初始容量均低于Si@C負(fù)極，但Si@SiC@C材料具有非常好的穩(wěn)定性，550圈循環(huán)后容量仍可保持在1050 mAh g^–1。此外，Si@SiC@C的初始庫(kù)倫效率為88.5%，高于大部分文獻(xiàn)中的值。在5 A g^–1的電流密度下，即便在800圈循環(huán)后，Si@SiC@C仍可維持1152 mAh g^–1的高容量。

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從HAADF圖上看，Si@SiC@C材料即便在100圈充放電后，仍可維持完整的球狀結(jié)構(gòu)，而Si@SiC材料部分破損，Si@C材料完全被破壞。

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該工作以“Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodesby Inhibiting Chemical Reactions” 為標(biāo)題于2019年7月5日發(fā)表在國(guó)際頂刊Nano Lett.上。

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Silicon Carbide as a Protective Layer toStabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions. (Nano Lett.,2019，DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01492)

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01492