【电池】清华魏飞团队Nano Lett ：为硅负极穿上一层SiC“防护服”

硅负极虽然具有非常高的容量，但由于其在充放电时发生巨大的体积膨胀、以及不稳定的SEI等因素，实际应用受到极大限制。

一般，改善硅负极的策略有三种：

1. 结构设计：硅纳米线、硅纳米管、硅纳米片、空心结构等；

2. 结构改性：碳包覆、MO_x涂层；

3. 组分调控：M−Si合金。

然而，硅负极的失效，原因还不止于此。

首先，硅和电解质LiPF₆会发生化学反应，生成Li₂SiF₆；其次，充当缓冲层的碳材料，会作为催化剂加快副反应。因此，当前急需一种新的硅负极保护方法。

在本文中，受高温气冷核燃料堆(HTGCRs)设计的启发，清华大学魏飞教授课题组在硅负极与碳包覆层中间加了一层SiC作为保护层，有效的防止了硅负极的副反应和快速失效。

XRD中出现了Li₂SiF₆的衍射峰，表明硅负极和硅碳负极的确会与电解液发生化学反应，Si@C反应前的粒径为90 nm，反应后的粒径为2–3 μm。I_Si@C/I_Si的值约为18，表明在纳米碳层的存在下，Li₂SiF₆形成的反应速率增加了18倍。

Si@SiC@C的基本形貌为球形，粒径约为100 nm，其中碳包覆的厚度为8–10nm，SiC中间层的厚度为7–8 nm。0.25和0.31 nm的晶格间距分别为SiC的(111)晶面、与Si的(111)晶面。

加入SiC保护层后，XRD没有出现Li₂SiF₆的特征峰，表明副反应被明显抑制，这是因为SiC的加入会增加Li₂SiF₆形成的活化能，降低副反应速率。

Si@SiC和Si@SiC@C材料的初始容量均低于Si@C负极，但Si@SiC@C材料具有非常好的稳定性，550圈循环后容量仍可保持在1050 mAh g^–1。此外，Si@SiC@C的初始库伦效率为88.5%，高于大部分文献中的值。在5 A g^–1的电流密度下，即便在800圈循环后，Si@SiC@C仍可维持1152 mAh g^–1的高容量。

从HAADF图上看，Si@SiC@C材料即便在100圈充放电后，仍可维持完整的球状结构，而Si@SiC材料部分破损，Si@C材料完全被破坏。

该工作以“Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodesby Inhibiting Chemical Reactions” 为标题于2019年7月5日发表在国际顶刊Nano Lett.上。

Silicon Carbide as a Protective Layer toStabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions. (Nano Lett.,2019，DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01492)

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01492