材料学院在单质硅锂离子电池材料研究方面获得系列重要进展

发布时间：2017-04-20发布部门：材料科学与工程学院

近日，我校材料学院杨建平特聘研究员、罗维副研究员及江莞教授团队的研究工作以“Amorphous TiO2 Shells: A Vital Elastic Buffering Layer on Silicon Nanoparticles for High-Performance and SafeLithium Storage”为题，发表在Adv. Mater.（Advanced Materials, 2017, DOI:10.1002/adma.201700523）（IF=18.960）上。

单质硅（Si）是非常具有应用前景的一类锂电池负极材料，因为它具有最高的理论容量(Li4.4Si =4200 mA h g-1)、低的放电电压、原料丰富等优势。但单质硅电极材料在实际应用中，仍有许多瓶颈问题急需解决，主要原因是硅在充放电时，锂离子的嵌入和脱出过程会造成巨大的体积变化（~ 400 %），使得电极材料的脱落以及不良的电极-电解液接触，最终导致循环性能差、倍率性能不佳和固体电解液界面的不稳定性。

杨建平特聘研究员（第一作者）、罗维副研究员（通讯作者）和复旦大学赵东元院士（通讯作者）合作提出一种“无定型TiO2：Si纳米颗粒的安全气囊”，这种想法通过一种简单的溶胶-凝胶法来合成无定形氧化钛（TiO2）包裹商业Si纳米颗粒形成核-壳结构（记为Si@a-TiO2），显示出非常优异的电化学性能和高安全储锂性能。与其他报道的涂层材料相比，这种无定形Si@a-TiO2纳米颗粒具有以下优点：1) 低温溶胶-凝胶法制备，无需热处理，低成本；2) 无定形TiO2壳可降低Li+扩散电阻，加快传输能力，具有更好的安全性能； 3) 无定形TiO2壳体具有弹性缓冲作用，保持充放电过程结构的完整性；4) 无定形TiO2壳表面上形成稳定的SEI膜，阻止电解液浸润Si颗粒。

（图：a) Si@a-TiO2纳米颗粒的制备示意图；b) Si@a-TiO2纳米颗粒的STEM图像

c）商业化Si，Si@a-TiO2和Si@c-TiO2纳米颗粒电极的循环性能测试

d）Si@a-TiO2和Si@C纳米颗粒负极的安全性能测试

e) 电化学循环期间无定形Si@a-TiO2纳米颗粒电极的结构演变和f)示意图）

一年来，杨建平特聘研究员及罗维副研究员围绕着硅基核壳纳米结构的设计、界面的优化及其在锂离子电池中的应用，取得了一系列进展和成果：

1）详细考察了以酚醛树脂聚合物包覆在商业化单质硅纳米颗粒表面，用来优化电化学性能。成果发表在能源领域知名期刊Nano Energy上，(Nano Energy 2016, 27, 255)，影响因子11.553；

2）发现在碳层表面负载Ge纳米颗粒，对硅基电极材料的电化学性能具有极大提升。成果以扉页插图报道发表在材料领域著名期刊Advanced Functional Materials上，(Advanced FunctionalMaterials 2016, 26, 7800)，影响因子11.382；

3）巧妙地构建单质硅@介孔碳@结晶二氧化钛三明治结构，实现了大的初始库伦效率、高的循环稳定性和优异的结构稳定性。成果发表在材料和工程领域知名期刊ACS Nano上，(ACS Nano, 2016, 10, 10524)，影响因子13.334；

这些研究工作获得纤维材料改性国家重点实验室人才引进和培养基金，高等学校学科创新引智计划（111引智计划，No. 111-2-04），国家自然科学基金(No.51402049 和No.51432004)，上海市自然科学基金(No.17ZR1401000和No. 14ZR1400600)和东华大学特聘研究员启动经费等支持。