华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室田华军教授（共同一作）联合澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授等，在开发高性能锂离子电池SiO_x基负极材料方面取得突破。相关成果以 “Stable Hollow‐Structured Silicon Suboxide‐Based Anodes toward High‐Performance Lithium‐Ion Batteries” 为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101796）。

高容量硅基负极材料被认为是极具商业化应用前景的锂离子电池负极材料。但是，锂离子电池硅负极在电池充放电循环过程中有较大体积膨胀（~300%），会造成其结构的破碎、活性物质脱落以及电极失活。硅负极材料结构的不稳定给其在锂离子电池的实际应用带来了严峻的挑战。而具有较小体积膨胀且循环稳定性好的氧化硅（SiOx）基负极则有望成为高比能锂离子电池负极候选者之一。但是，SiOx基负极的发展也面临其他科学问题，包括其本身较差的电子电导率和低的（首次）库仑效率等。以上提及的系列科学问题大大制约了硅基负极在锂离子电池的商业化应用。

田教授的该项研究成果巧妙设计并合成了带有石墨碳涂层和原位生长的碳纳米管中空结构SiOx@CNTs/C材料，其作为锂离子电池负极具有高可逆容量，高初始库仑效率（88%），出色的循环性能和压延过程中高的机械强度（200 MPa）稳定性。该研究成果主要在以下方面取得进展：（1）通过原位透射电子显微镜Insitu-TEM实现了直观表征中空结构SiOx@CNTs/C负极在锂离子嵌入/迁出过程中的体积膨胀/收缩过程;（2）通过化学气相沉积工艺成功衍生了均匀碳涂层，并且大大改善了SiOx的电子导电性；（3）原位生长的碳纳米管进一步提高了SiOx@CNTs/C复合材料的电导率和机械强度，实现了硅基锂离子电池高倍率性能和循环稳定性；（4）SiOx基负极内的钴单原子促进了SEI膜的形成，从而提高了中空结构SiOx@CNTs/C负极材料初始库仑效率。

图1 高库伦效率、高机械强度、高性能锂离子电池硅基负极材料

图2 论文截图