探索配景
跟着电动汽车的赶快进展，进一步提升锂离子电池(LIB)的能量密度变得急迫。硅负极是提升LIBs能量密度的要紧路径之一，由于Si的理论容量比保守石墨高十倍。但是，硅颗粒毁坏、充放电历程中固体电解质界面（SEI）层的不断成长，以及庞大的体积膨胀，拦阻了硅负极的现实运用。Si纳米复合材料能够灵验适应大要积改变，并防范电解质与Si之间的副反映。这些纳米布局材料构成微米巨细的颗粒，可现实运用并与保守电池建立工艺兼容。但是，跟着低级粒径减小到纳米级，将纳米布局的硅组装成微米级材料变得越来越坚苦。成就简介
不日，西北安祥洋国度尝试室张继光和RanYi感化在AdvancedMaterials上发布了题为“AMicrometer-SizedSilicon/CarbonCompositeAnodeSynthesizedbyImpregnationofPetroleumPitchinNanoporousSilicon”的论文。该劳动报导了一种可扩充的法子，经过在高温处置以前将煤油沥青浸渍在多孔硅内部，来保管多孔硅纳米布局。所得微米级Si/C复合材料可维持所需的孔隙率，以适应大的体积改变和高电导率，推进电荷转变。它还构成了一个安稳的表面涂层，束缚了电解液浸透到纳米多孔硅中，并最大限度地节减了轮回历程中电解液与硅之间的副反映。含有80%沥青衍生碳/纳米多孔Si的硅基负极使SiLi(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2电池安稳轮回次，容量维持率为80%。
探索走光
（1）展现了一种制备包罗微米级纳米多孔Si（Np-Si）的Si/C复合材料的简短法子，该复合材料由沥青衍生的碳（PC）掩护；（2）由此构成的PC/Np-Si不但胜利地保存了单个纳米尺寸的Si低级粒子，况且还具备恰当惯例电池建立工艺的粉末性格。图文导读
为了构成高导电性的Si/C纳米复合材料，一般需求对碳先驱体举行高温碳化。但是，微米级硅粒子中的纳米级低级硅粒子，由于表面的晶格振荡而在高温下很轻易被活化，并合并在一同构成更大的粒子。成效，微米级多孔硅颗粒内的纳米孔将萎缩，微米级颗粒将遗失多孔布局。是以，本文开辟了一种沥青浸渍法子，以掩护纳米布局免受毁坏。图1、a)具备纳米孔的微米级硅颗粒在高温后处置历程中经过原子分散举行烧结；b)具备纳米孔的微米级硅颗粒在高温处置历程中维持其原始布局。煤油沥青在Np-Si中的浸渍图2a解说了煤油沥青在Np-Si中的浸渍和碳化历程。首先，经过热处置和化学蚀刻工艺，从商用一氧化硅(SiO)制备微米级Np-Si。图2b、c显示，Np-Si具备m2g-1的大比表面积(SSA)和小于4nm的孔径。图2d显示，它展现出0.48gcm-1的高振实密度。图2、a)PC/Np-Si合成历程示企图。b)SiO、Np-Si、P/Np-Si和PC/Np-Si的SSA；c)Np-Si的Barrett-Joyner-Halenda解吸弧线；d)尺寸为50nm的Si纳米颗粒、Np-Si和PC/Np-Si的振实密度；e)孔隙率和孔体积随Np-Si中沥青含量的改变；f)沥青上清液的激光解吸/电离质谱；g)横截面视图中PC/Np-Si的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图象，以及硅和碳的能量色散X射线光谱(EDS)图。为了推进沥青浸渍到Np-Si的内孔中，在真空下将沥青/甲苯溶液注入Np-Si。依照激光解吸/电离质谱(LDI-MS)的特性，上清液的质谱纠合在m/z=和m/z=左近。m/z=处的多环芳烃(C28H14)代表沥青。思量到苯(C6H6)的尺寸为0.3nm，沥青上清液中的多环芳烃的尺寸约为1.2nm，能够很轻易地浸透到Np-Si纳米通道中。图2g显示，假使在碳化以后，浸渍沥青也平均地散布在Np-Si全部颗粒上。成效，SSA从m2g-1节减到7.0m2g-1。在氩气中°C下碳化后，PC/Np-Si展现出略大的SSA(8.8m2g-1)和0.93gcc-1的高振实密度。这些性格使PC/Np-Si实用于保守电池建立工艺，以得到高密度电极。碳化历程中浸渍沥青安稳Np-Si图3a显示，将温度维持在和°C，这离别对应于沥青的软化点和碳化温度。图3b、c显示，跟着温度抬高，Np-Si遭遇严峻的热萎缩，而P/Np-Si的萎缩由于浸渍沥青而加重。图3d显示，假使Np-Si的体积在和°C时离别降落到77.0%和52.7%，但P/Np-Si在和°C时仍离别维持其初始体积的98.6%和77.7%。图3e显示，由于严峻的热萎缩，经过惯例化学气相堆积工艺包覆的Np-Si（CC/Np-Si）粒径小于Np-Si。同时PC/Np-Si的粒径与Np-Si彷佛。图3f显示，PC/Np-Si中的碳含量能够比保守CC/Np-Si高很多，由于保守CVD前的热萎缩会节减孔体积并壅塞乙炔浸透。图3、a)Np-Si和P/Np-Si热处置的原位TEM剖析示企图；b,c)Np-Si(b)和P/Np-Si(c)在25、和°C下随温度抬高的TEM图象；d)Np-Si和P/Np-Si的体积随温度的改变；e)原始Np-Si、PC/Np-Si和惯例CC/Np-Si的粒度散布；f)PC/Np-Si和保守CC/Np-Si的碳含量；Np/Si(g)和P/Np-Si(h)在°C热处置先后的HRTEM图象；i)Np-Si、PC/Np-Si和惯例CC/Np-Si的XRD。图3g、h显示，假使Np-Si中的低级Si纳米粒子跟着纳米孔尺寸的减小而汇聚，并构成更大的粒子，而被沥青包覆的低级Si纳米粒子没有成长。PC/Np-Si和原始Np-Si的XRD彷佛，经过Scherrer方程估量微晶尺寸为1.4nm，是以解说Si低级粒子的纳米尺寸得以保存。比拟之下，保守的CC/Np-Si展现出尖峰，对应于大于3.3nm的微晶尺寸。维持低级粒子的原始尺寸不但能够缓和大要积改变引发的应力，况且还可觉得布局中的PC留出充沛的空间。电化学功用图4a较量了LiPC/Np-Si和Li
CC/Np-Si半电池的初始充放电弧线。即使CC/Np-Si在初始轮回中展现出更高的比容量，但PC/Np-Si的轮回安稳性和库仑效率更高。PC/Np-Si在半电池的第50次轮回时容量维持率为90%。CC/Np-Si的库仑效率在15次轮回后发端快捷降落。Li
CC/Np-Si电池库仑效率的降落和容量的倏忽降落可归因于，反复轮回的裂纹扩充加快了电解质与新走漏Si表面之间的副反映。图4、a)PC/Np-Si和CC/Np-Si在半电池中的首圈充放电弧线；b)PC/Np-Si和CC/Np-Si在半电池中轮回50次的轮回功用；c）PC/Np-Si和CC/Np-Si在与NMC正极配对的全电池中的轮回功用；d)石墨搀和PC/Np-Si电极在与LCO正极配对的全电池中的轮回功用。在两种全电池中表征了Li
PC/Np-Si电池的长轮回功用：1）PC/Np-Si
NMC和2)石墨搀和硅负极(Gr-PC/Np-Si)
LiCoO2(LCO)。图4c显示，PC/Np-Si
NMC全电池展现出安稳的轮回寿命，圈后容量维持率为80%，卓绝了PC在安稳纳米级Si低级粒子以及抵御副反映方面的关键效用。但是，保守的CC/Np-Si在CVD前的加热阶段烧结严峻，没法得到长轮回安稳性，况且在26圈中仅保存80.2%的容量。图4d显示，Gr-PC/Np-Si
LCO全电池在次轮回后仍展现出非凡的轮回寿命和80%的容量维持率。两种全电池的长轮回寿命表明晰PC/Np-Si杰出的轮回安稳性。PC/Np-Si的膨胀图5b显示，在统统锂化形态下，PC/Np-Si颗粒仅膨胀60.6%而没有任何板滞降解。这类较低的体积膨胀归因于被PC包裹的单纳米级硅低级颗粒应变减小，以及复合材猜中构成的孔隙。图5、a）在颗粒和电极水准上锂化膨胀表征的示企图；b)PC/Np-Si体积膨胀随锂化时候的改变；c)PC/Np-Si锂化的延时图象；d)PC/Np-Si在原始、第1次锂化和第50次锂化形态下的横截面SEM图象。图5d显示，在第1、2、5、20和50次轮回中，窥察到统统锂化形态下的电极膨胀离别为31%、34%、39%、42%和43%。假使PC/Np-Si电极在第一次锂化历程中膨胀使得颗粒和孔从新胪列，但从第二次轮回到第50次轮回，锂化形态下电极膨胀的增长仅9%。别的，屡屡轮回时彷佛水准的电极膨胀增加了（脱）锂化历程的可逆性，同时抵御了副反映。PC/Np-Si负极轮回后的剖析这项劳动中开辟的PC/Np-Si基负极实行了反复合金化/脱合金历程的安稳性。图6b显示，PC/Np-Si颗粒在全部颗粒中维持了Si和C的平均散布，而没有粉化。别的，粒子边沿的氟和氧的部分份布解说，大多半SEI层是在表面构成的，电解质没有浸透到PC/Np-Si的内部布局中。图6c显示，Si外核和内核的样式之间存在显着不同。在外核，固体复合材料在反复轮回后变得有凹痕，这可归因于表面的大应变和氟化氢刻蚀。一般，合金化/脱合金历程经过固态分散对Si举行原子重排。合金化促进相邻原子汇聚，脱合金致使纳米多孔布局的构成。由于PC/Np-Si曾经具备受PC掩护的安稳Si网络，它能够很轻易地构成高度可逆的纳米多孔布局。图6d显示，越挨近重点，探测到的氟和氧就越少。这阐明，即使在表面构成了凹坑，但PC灵验地制止了电解质浸透到Si核中，并束缚了表面的SEI层成长。图6、a)PC/Np-S负极做废机理示企图；b)PC/Np-Si轮回后的Si、C、O和F的EDS图；c)轮回后PC/Np-Si负极的横截面HAADF-STEM图象；d)轮回后PC/Np-Si在表面、外核和内核处Si、C、O、F和P的EDS光谱。
归纳与瞻望
本文开辟了一种简短、可扩充的合成工艺，用于制备微米级Si/C复合材料，该复合材料由由沥青衍生碳安稳的纳米级Si低级粒子构成。煤油沥青浸渍到硅纳米布局中能够防范纳米硅的无益烧结和纳米孔在高温顺电化学（脱）合金历程中的萎缩。借助这些性格，PC/Np-SiNMC全电池具备杰出的电化学功用。这项工艺也能够扩充到其余合金型负极的开辟。
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AMicrometer-SizedSilicon/CarbonCompositeAnodeSynthesizedbyImpregnationofPetroleumPitchinNanoporousSilicon.(AdvancedMaterials,,DOI:10./adma.03095)原文链接：