南大李爱东AFM：原子/分子层沉积的双重涂层设计实现长寿命硅负极

由于超高理论容量、自然丰度和低平均电压平台，硅 (Si) 是锂离子电池（LIB）的理想候选负极。然而，Si材料在循环过程中的快速容量衰减阻碍了其实际应用，实现Si材料快速可逆的锂化/脱锂仍然是一个具有挑战性的目标。

在此，南京大学李爱东教授等人提出了利用“从纳米孔到致密界面”的梯度设计，利用分子层沉积（MLD）和原子层（ALD）沉积技术，在Si电极上可控地沉积了由柔性多孔锌酮和硬质致密TiO₂组成的双层薄膜（锌酮/TiO₂），其中刚性ALD 的TiO₂共价接枝到柔性多孔MLD的锌酮主链上。

新颖的双涂层结构提高了硅电极的机械性能，其中外部刚性TiO₂膜提供高机械强度并抑制电解液和硅颗粒之间的副反应；Si颗粒和TiO₂层之间的内部柔性多孔锌酮膜作为缓冲层抵消了锂化/脱锂过程中硅的体积膨胀。

图1. Si@锌酮/TiO₂和Si@钛酮/TiO₂的合成过程示意图

DFT计算和GITT实验阐明，与内部致密的钛酮涂层相比，多孔锌酮薄膜更有利于Li⁺迁移。因此，Si@锌酮/TiO₂负极在0.2 A g^-1下循环100次后可提供2450 mAh g^-1的高可逆容量，在4 A g^-1下具有1224 mAh g^-1的有利倍率容量。

此外，还具有出色的长期循环稳定性，在2 A g^-1下的1000次循环中，每个循环的容量衰减仅为0.051%。分形理论验证了Si@锌酮/TiO₂在循环过程中经历了温和的可逆演化，盒分形维数为1.73。这种分子/原子设计双膜保护硅负极为构建内部多孔梯度界面以实现下一代LIB甚至其他领域提供了机会。

图2. Si@锌酮/TiO₂和Si@钛酮/TiO₂的电化学性能

Dual-Design of Nanoporous to Compact Interface via Atomic/Molecular Layer Deposition Enabling a Long-Life Silicon Anode, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202109682

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南大李爱东AFM：原子/分子层沉积的双重涂层设计实现长寿命硅负极

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