多孔硅（pSi）由于其多孔结构有利于缓解体积膨胀而被认为是下一代高能量密度锂离子电池（LIB）负极的有前途的候选者之一。然而，由于其较大的比表面积，缺乏高效的制备方法和严重的副反应阻碍了其商业化发展。因此，如何从安全，高效，可持续性发展的技术角度来扩展pSi材料的制备方法以便更好的提高锂离子电池的能量密度，这是促进未来电池技术发展的主要环节。
本工作利用Zintl化合物Mg2Si和SiO2的氧化还原反应特性，开发了用于高能量密度LIB的多孔硅基阳极材料。进一步，在C2H4/Ar气氛中，通过化学沉积在pSi的内部和表面沉积石墨化的碳，形成了具有较高振实密度的pSi@C复合材料。
图1 pSi@C 的制备流程图及形貌、元素组成分析
为了评估pSi@C在高能量密度锂离子电池中的潜在应用，我们做了一系列电化学性能测试，测试结果见图2。为了提高电极首圈库伦效率，对极片进行了预锂化处理。如图2(b)所示，预锂化之前，初始循环中的放电和充电容量分别为2741.5和1695.5 mAh g-1，即ICE为61.8%。预锂化后，第一个循环的相应容量分别为1376.6和1564 mAh g-1。图2(c)显示了pSi@C电极在不同循环频率下的放电-充电电压曲线。各个循环的放电/充电曲线明显重叠，表明电极具有良好的可逆性。如图2(d)，在电流密度为0.1 A g-1时，pSi@C电极提供了1500 mAh g-1的高容量。相比之下，pSi电极的容量从1000 mAh g-1迅速衰减到0，主要是由于pSi样品的导电性恶化和体积膨胀容限不足。其中图2(e)在1 A g-1下重复充电/放电1000次后，比容量从980下降至555 mAh g-1，容量保存率为56.7%。pSi@C电极的倍率能如图2(f)所示，当电流密度为0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、2.0、3.0和5.0 A g-1时，pSi@C的放电比容量分别为1476.1、1210.7、1091.8、994.2、924.1、736.6、621.9和438.1 mAh g-1。同时，电流密度恢复到0.1 A g-1后，相应容量恢复到1325.4 mAh g-1，表明pSi@C电极具有优异的速率性能。
图2 （a）pSi@C电极前三个放电/充电循环的CV曲线。（b）预锂化前后，pSi@C电极在0.1A g-1电流密度下的放电/充电曲线。（c）不同循环下pSi@C的恒电流放电/充电曲线。（d）pSi和pSi@C电极在电流密度为0.1A g-1时的循环稳定性。（e）pSi@C电极在1 A g-1高电流密度下的长期循环性能。（f）pSi@C的倍率性能。（g）pSi@C循环前后的阻抗图。（h）循环20圈后pSi和pSi@C的阻抗图和相应的等效电路模型。
该工作以题为“Facile Redox Synthesis and Surface Engineering of Porous Silicon from Zintl Compound for High-Performance Lithium Ion Battery Anodes”发表于国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c10691