锂离子电池具有高比能量、高功率、低自放电率等优点，在便携式电子产品、混合动力汽车、人造卫星和航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前锂离子电池应用最广的负极材料是石墨类材料，然而其理论比容量仅为372 mAh/g。因此，亟需探索一类高容量、稳定的负极材料代替石墨类材料以提高锂离子电池的综合性能。硅基材料是目前最有希望大规模应用的负极材料，这是由于：（1）硅在地壳元素中的储量丰富，环境污染较小，成本可控；（2）硅基材料的理论比容量高达4200 mAh/g；（3）硅的放电电压平台约为0.4 V，高于石墨，可以减少析锂，提高了安全稳定性。但是，硅基负极材料同样存在一些缺陷而限制了其商业应用。一方面，硅基材料在充放电过程中会发生剧烈的体积收缩和膨胀，导致材料结构破裂和粉化；另一方面，硅作为半导体，电导率很低，倍率性能不佳。所以，研究者尝试通过设计优化其结构和生产工艺以改善其性能。

华东理工大学凌立成教授、乔文明教授，在《新型炭材料》（New Carbon Materials）发表研究论文“Preparation and electrochemical properties of novel silicon-carbon composite anode materials with a core-shell structure”，通过对氧化硅预处理得到多组分硅pSi（Si、SiO、SiO₂），再利用化学气相沉积法（CVD）设计了具有核壳结构的pSi与碳纳米纤维（CNF）的复合材料（pSi-CNF）。多组分硅中Si、SiO提供电化学可逆容量，SiO₂可以抑制硅的体积膨胀；碳纳米纤维包覆形成的壳层结构可以有效地提高复合材料的导电性，同时进一步抑制硅的体积膨胀保持核壳结构完整。电化学性能测试表明，在0.2 A/g的电流密度下，经100次循环后其可逆容量为1411 mAh/g，容量保持率为74%，具有良好的循环稳定性和较高的可逆容量；在1 A/g的电流密度下，经300次循环后其可逆容量为735 mAh/g，容量保持率为86%，且具有良好的倍率性能。

该工作的主要研究亮点包括以下几个方面：

1.     基于化学气相沉积工艺，通过对硅源进行预处理（歧化、刻蚀），再在硅源表面催化生长碳纳米纤维的方法，制备了具有核壳结构的硅碳复合材料。

2.     探究了不同碳纳米纤维的含量对硅碳复合材料的电化学性能的影响，分析讨论了碳纳米纤维包覆的作用机理。

3.     通过电化学性能测试表明该核壳结构复合材料作为锂离子电池负极具有良好的循环稳定性、较高的可逆容量以及良好的倍率性能，并对原因进行了分析。

图1  (a)pSi和(b)pSi-CNF的SEM照片；(c)pSi-CNF的TEM照片；(d)pSi-CNF的STEM和

(e,f)不同元素的Mapping照片  

图2  （a）SiO、pSi和pSi-CNF材料的X-射线衍射图；(b)pSi-CNF材料的拉曼光谱图；(c)pSi的XPS全谱图

图3  (a)pSi和(b)pSi-CNF电极在扫描速率为0.1 mV/s下的循环伏安曲线

图4  (a，c)pSi-CNF电极在0.2 A/g恒电流和不同电流密度的充放电曲线；(b)SiO-CNF、pSi和pSi-CNF在电流密度为0.2 A/g的循环性能曲线；(d)SiO-CNF、pSi和pSi-CNF的倍率性能曲线

图5  不同碳含量pSi-CNF负极材料(a)循环性能曲线和(b)倍率性能曲线;

(c)pSi-CNF/pSi的长循环性能图

图6  pSi和pSi-CNF负极材料(a,b)循环前和(c,d)第100圈循环后的SEM照片

文章信息 New Carbon Materials 

JIN Heng-chao, SUN Qian, WANG Ji-tong, MA Chen, LING Li-cheng, QIAO Wen-ming. Preparation and electrochemical properties of novel silicon-carbon composite anode materials with a core-shell structure. NEW CARBOM MATERIALS, 2021, 36(2): 390-400. doi: 10.1016/S1872-5805(21)60023-15

原文链接：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(21)60023-15?viewType=HTML

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通讯作者简介：

乔文明，华东理工大学化工学院教授、博士生导师。曾在南京理工大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、日本九州大学学习和工作，于2008年入选教育部新世纪优秀人才计划，于2013年入选上海市优秀技术带头人计划。主要从事新型炭材料(如PAN基活性炭织物、炭纤维织物、球状活性炭、超级活性炭、碳纳米纤维等)的研究、工程化制备技术和应用开发，在国内外核心学术刊物上发表研究论文200余篇，曾获得省部级科技进步奖二等奖1项。