汪的华/李威ACS Nano：电化学合成多维纳米结构Si作为锂离子电池负极

硅（Si）是一种很有前途的锂离子电池（LIB）负极材料，但较差的循环稳定性阻碍了其实际应用，开发有利的Si纳米材料有望提高其可循环性。

在此，武汉大学汪的华教授、李威副研究员等人报道开发了一种可控的合成路线，通过在800 °C的熔融NaCl-CaCl₂中将管状埃洛石粘土电化学还原成不同的Si纳米结构（Si纳米管-SNT、Si纳米线-SNW和Si纳米颗粒-SNP）。

研究表明，HCl蚀刻温度和电解电位在控制电解产物的形态中起关键作用。当埃洛石粘土在80 °C下进行HCl蚀刻并在-1.45 V下电解时可还原成SNT，这伴随着中间体从片状向管状结构的连续转变；而在90 °C下进行HCl蚀刻后，由于HCl预处理后的高比表面积，埃洛石粘土可通过溶解和沉积机制在-1.40~ -1.60 V范围内还原为SNW。在没有HCl蚀刻的情况下直接电解时，由于其快速还原动力学，只能在更负的-1.60 V下形成SNP。与CVD方法相比，电解埃洛石粘土合成SNT具有原料便宜、工序短、无模板和催化剂的优点。

图1. SNW、SNP 和SNT的形成机制示意图

使用锂金属箔作为参比电极和对电极，作者在CR2016纽扣电池中测试了SNP、SNW和SNT的电化学性能。当作为LIB的负极材料时，SNT表现出比SNP和SNW更好的储锂性能。SNT电极在0.2 A g^-1下100次循环后仍能保持2021 mAh g^-1的容量，远高于 SNW（1550 mAh g^-1）和 SNP（911 mAh g^-1）。甚至在1.0 A g^-1下进行测试时，SNT电极在1000次循环后仍可保持1033 mAh g^-1的高容量，对应于每循环0.047% 的低衰减率。

SNT的高性能归因于有利的中空结构可以提供更多的锂存储，纳米管结构可以有效缓冲锂化/脱锂过程中的体积变化，从而保证良好的结构耐久性。总之，这项工作为合成用于LIBs的不同形态硅纳米材料提供了一种可控的方法，同时深入揭示了其形成机制。

图2. SNP、SNW和SNT电极的电化学性

Electrochemical Synthesis of Multidimensional Nanostructured Silicon as a Negative Electrode Material for Lithium-Ion Battery, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.1c11393

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