為了緩解能源供應(yīng)矛盾、應(yīng)對氣候變化，實(shí)現(xiàn)可再生能源的廣泛應(yīng)用，研制出作為中介的高效便捷且清潔和可持續(xù)的儲(chǔ)能設(shè)備迫在眉睫。在此背景下，鋰離子電池應(yīng)運(yùn)而生。負(fù)極材料是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素，對于鋰離子電池的能量密度、循環(huán)壽命至關(guān)重要。以石墨為代表的碳基材料具有導(dǎo)電性高、循環(huán)穩(wěn)定性好等突出優(yōu)勢，是目前研究最為成熟的負(fù)極材料。然而，隨著電動(dòng)汽車的日漸普及和推廣，碳基材料較低的容量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足各前沿領(lǐng)域和行業(yè)對高性能鋰離子電池的需求。面對新的需求和挑戰(zhàn)，具有超高容量的硅基材料進(jìn)入廣大科研工作者的視野，一度被認(rèn)為是最有潛力的新一代負(fù)極材料。然而，硅在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹可達(dá)到300%以上，顯著的體積變化造成了硅顆粒破碎和粉化，這也導(dǎo)致硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性極差，阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。近年來，聚合物衍生的碳氧化硅（SiOC）作為一種兼具高容量和優(yōu)良循環(huán)穩(wěn)定性的負(fù)極材料受到廣泛關(guān)注。SiOC體系中的多種儲(chǔ)鋰位點(diǎn)（自由碳、納米孔隙和Si-O-C四面體結(jié)構(gòu)單元）賦予了SiOC材料超過石墨負(fù)極3倍的理論容量；無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和固有的納米孔隙能夠有效緩沖鋰化/脫鋰過程中的體積變化，又使其循環(huán)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于純硅負(fù)極。然而，SiOC陶瓷的致密結(jié)構(gòu)和低電導(dǎo)率嚴(yán)重阻礙了電池運(yùn)行過程中離子的擴(kuò)散和電子的傳導(dǎo)。這些限制阻礙了SiOC鋰電性能潛力的充分發(fā)揮，導(dǎo)致其在高比電流下的倍率性能、比容量和循環(huán)穩(wěn)定性較差。因此，提高導(dǎo)電性和離子擴(kuò)散性能將是獲得高性能SiOC負(fù)極材料的關(guān)鍵。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)核能材料實(shí)驗(yàn)室宋育杰研究員、梁坤研究員聯(lián)合大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)徐劍教授基于聚合物衍生陶瓷的制備工藝，從先驅(qū)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了一種利用Fe元素的催化作用以低成本制備SiOC/CNTs復(fù)合材料的方法。所制備出的SiOC/CNTs復(fù)合材料突破了SiOC材料的局限性，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電性與離子擴(kuò)散性能的同步優(yōu)化，作為鋰離子電池的負(fù)極展現(xiàn)出了在大電流下顯著提高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

在該工作中，F(xiàn)e元素通過Fe(acac)₃引入先驅(qū)體中，它能夠利用先驅(qū)體熱分解產(chǎn)生的氣態(tài)烴，通過氣-液-固（VLS）反應(yīng)機(jī)理在SiOC基體內(nèi)催化CNTs原位生長；此外，F(xiàn)e的引入破壞PHMS與DVB的緊密交聯(lián)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)形成納米通道，進(jìn)而構(gòu)造了同時(shí)包含微孔、介孔、大孔的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)。CNTs與多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的形成使得SiOC/CNTs復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電性與離子擴(kuò)散性能的同步提高，進(jìn)而賦予了SiOC/CNTs復(fù)合材料全面提升的電化學(xué)性能。SiOC/CNTs復(fù)合材料在低比電流（100 mA g^-1）下展現(xiàn)出更高的可逆容量（855.17 mAh g^-1）。在高比電流下（2000 mA g^-1），SiOC/CNTs復(fù)合材料電化學(xué)性能的提升更加顯著：可逆比容量從401.83 mAh g^-1提升至494.87 mAh g^-1，循環(huán)1000次后的可逆比容量從248.61 mAh g^-1提升至407.37 mAh g^-1。在2000 mA g^-1下循環(huán)1000次后，SiOC/CNTs復(fù)合材料容量保持率超過其初始可逆容量的90.14%，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這種在大電流下容量和穩(wěn)定性的顯著提升對于SiOC材料的實(shí)際應(yīng)用將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。

這一工作近期以“SiOC/CNTs composites as anodes for lithium-ion batteries”為題發(fā)表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152610），論文通訊作者為寧波材料所宋育杰研究員、梁坤研究員與大連理工大學(xué)徐劍教授，相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金（52075526、91860204）、寧波3315計(jì)劃創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2017A-28-C）和中央高?；A(chǔ)研究基金（DUT22-LAB605）的支持。

圖1?SiOC/CNTs的制備工藝與熱解過程

圖2?SiOC/CNTs的電化學(xué)性能

（先進(jìn)核能材料實(shí)驗(yàn)室 宋育杰）

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