【会议报告】亚纳米级硅与碳复合粉体制备及其性能研究

硅，以其显著的高容量——高达4200 mAh·g^-1，以及丰富的储量，被视为快速充电高能量密度锂离子电池的理想负极候选者。

然而，硅负极的应用受到两大关键内在问题的阻碍：

1. 在循环过程中，巨大的体积膨胀（超过300%）可能导致结构粉碎，形成连续的固体电解质界面层，以及颗粒间电接触的丧失，从而引发快速容量损失。
2. 较差的电子电导率（约10^-4 S m^-1）严重阻碍电子传输，进而导致较差的倍率性能。

为解决这些问题，最有效的策略是实现硅的纳米化并进行碳复合。

南方科技大学机械与能源工程系赵天寿、韩美胜课题组在《Carbon Energy》期刊上发表了题为“用于快速充电的亚纳米硅的多级碳结构”的论文，提出了一种亚纳米硅多级碳结构：通过热CVD技术将垂直石墨烯片锚定在亚微观均匀分散的Si–C复合纳米球的表面，随后通过高温碳化将其嵌入碳基体中。

在亚纳米硅多级碳结构的负极中，Si–C纳米球中的亚纳米C、VGS和碳基体共同构建了一个三维导电和鲁棒网络，显著提高了电导率并抑制了Si的体积膨胀，从而促进电荷传输，提高电极稳定性。

这种亚纳米硅多级碳结构在工业电极条件下表现出优异的储锂性能。在半电池测试中，亚纳米硅多级碳结构提供了高容量（1279.6 mAh·g^-1），卓越的速率能力（在20 A·g^-1电流密度下具有676.4 mAh·g^-1的容量），以及高容量保持率（在5A·g^-1的电流密度下循环1000次后容量保持率为81.3%）。值得注意的是，全电池展现了卓越的快速充电能力，具有高能量密度和长循环寿命。

接下来，我们将详细介绍亚纳米级硅复合材料的制备方法。