黄维院士/李绍周EES：通过铜催化电化学-机械耦合工艺实现的硅酸电池

尽管硅在其电化学氧化过程中提供了出色的电荷存储能力，但该过程在电池领域中的应用从根本上受到其在表面形成钝化氧化层倾向的阻碍。

在此，南京邮电大学黄维院士、李绍周教授等人报道了一种铜催化的电化学和机械耦合路线，以保持硅在酸性溶液中的反应活性。选择铜作为模型催化剂是因为它可以降低硅氧化的活化能，作者通过在商业Si颗粒上涂覆金属有机骨架 (MOF) 并在最终高温处理之前将Cu离子负载到MOF壳中来获得复合材料（表示为Cu-Si@C）。

不均匀分布的铜催化剂能促进硅片上形成波状氧化硅层，从而形成局部应变。应变将诱导形成高度缺陷的氧化层，从而促进电解液向硅的传输。因此，催化反应和缺陷氧化物结构的结合导致了硅的自发和连续的电化学氧化。

图1. Cu-Si@C复合材料的制备及表征

因此，作者研制出一种具有高能量密度、低电解液消耗的硅酸电池。以H₂SO₄为电解液的Cu-Si@C-MnO₂电池开路电压（OCV）为1.65 V且在0.55 V下实现了~19 mW/cm²的峰值功率密度。在0.1 mA/cm²的电流密度和0.4 V的截止电压下，电池的最大比电荷存储容量为1.34 mAh/cm²，对应的比能量密度为1339 Wh/kg。

此外，硅酸电池中硅电极的反应不涉及电解液中溶质的消耗，因此还具有抑制自放电和更长保质期的优良特性。本研究为保持硅的反应性提供了一种途径，从而拓宽了硅的电化学应用领域且对提高微电子器件的可靠性也具有指导意义。

图2. 高能量密度的硅酸电池示范

Silicon Acid Batteries Enabled by a Copper Catalysed Electrochemo-Mechanical Coupled Process, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02620H

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黄维院士/李绍周EES：通过铜催化电化学-机械耦合工艺实现的硅酸电池

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