氮掺杂碳层包覆椭球状多孔微米硅负极材料的制备及储能研究.pdfVIP

材料研究与应用2024，18（6）：969‑976http：//mra.ijournals.cn

MaterialsResearchandApplicationEmail：clyjyyy@gdinm.com

DOI：10.20038/ki.mra.2024.000610

氮掺杂碳层包覆椭球状多孔微米硅负极材料的

制备及储能研究

旋瀚霖,孙京菲,郑昕睿,王晟懿,罗文*

（广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006）

摘要：硅（Si）材料因高的理论比容量（4200mAh∙g−1）和优异的嵌锂容量，被广泛认为是下一代锂离子电池

最具有潜力的负极材料。近年来，各种纳米和微米尺度的硅材料被设计和合成，如纳米硅线、空心球等。

相比于昂贵的纳米硅材料，微米硅材料因容量高和成本低，逐渐成为锂离子电池负极材料的重要研究方

向。然而，微米硅负极材料在脱嵌锂的过程中存在严重的体积膨胀和粉化问题，导致其首次库伦效率低，

循环稳定性差。为此，采用两次酸刻蚀法和原位聚合反应，以微米铝硅合金球为原料，制备了氮掺杂碳层

包覆的椭球状多孔微米硅（CPSi@CN）复合材料。结果表明，CPSi@CN的多孔结构有效缓解了硅在循环中

的体积膨胀，促进了离子传输。说明，表面纳米碳层能调控CPSi@CN复合材料的体积膨胀，减少副反应，从

而提高了循环稳定性。同时，氮元素的掺杂进一步提升了碳层的离子传输性能和导电性，增加了活性位

点。作为锂离子电池负极材料CPSi@CN，其在2.4mg∙cm−2的负载量和1.0A∙g−1的电流密度下循环

100次，比容量仍保持为705.16mAh∙g−1、首次库伦效率达到80%，在5.0A∙g−1的电流密度下比容量为

429.97mAh∙g−1，当恢复至小电流0.2A∙g−1时容量恢复率达92%。表明，所制备的CPSi@CN负极材料，具

有高的首次库伦效率、优良的倍率性能和循环稳定性，在电动汽车和储能设备等领域的应用前景广阔。

关键词：微米硅；负极材料；酸刻蚀；原位聚合；多孔结构；纳米碳层；氮掺杂；锂离子电池

中图分类号：TM912文献标志码：A文章编号：1673-9981（2024）06-0969-08

引文格式：旋瀚霖，孙京菲，郑昕睿，等.氮掺杂碳层包覆椭球状多孔微米硅负极材料的制备及储能研究［J］.材料研究与应用，

2024，18（6）：969-976.

XUANHanlin，SUNJingfei，ZHENGXinrui，etal.PreparationandEnergyStorageofEllipsoidalPorousMicronSiliconAnode

MaterialCoatedwithNitrogen-DopedCarbonLayer［J］.MaterialsResearchandApplication，2024，18（6）：969-976.

0引言限制了其实际应用。因此，通过有效的表面纳米工

硅（Si）材料具有低的放电电位（0.4Vvs.Li/Li+）程提高微米多孔硅负极材料的结构稳定性，对高性

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和较高的理论比容量（4200mAh∙g），被认为是优能锂离子电池的发展具有重要意义。

异的储能材料，在锂离子电池负极材料领域极具应为了解决上述缺陷，国内外学者提出的纳米碳

用潜力。相比于价格高