硅负极新进展！四川大学姜猛进&张军华最新AEM！

四川大学姜猛进教授与张军华教授在《Advanced Energy Materials》发表硅负极研究新成果，通过多孔氮/硫共掺杂碳层（CBPOD）封装硅，显著提升了锂离子电池负极的性能。研究背景与挑战硅（Si）基负极因其高理论容量（约4200mAh g?1）被视为下一代锂离子电池的理想材料，但其实际应用受限于两大问题：体积膨胀：锂嵌入/脱出过程中硅体积变化高达300%，导致电极粉化、结构崩塌。界面不稳定：电极/电解质界面副反应频繁，固体电解质界面（SEI）膜持续增厚，消耗活性锂并增加阻抗。传统碳包覆或单一掺杂策略难以同时解决上述问题，需开发多功能保护层。创新设计：多孔氮/硫共掺杂碳层（CBPOD）结构优势：均匀封装：CBPOD以多孔结构均匀包裹硅颗粒，形成物理缓冲层，有效分散体积膨胀应力。化学键合：碳化过程中，CBPOD与硅表面形成牢固的Si-C化学键，增强界面稳定性。功能强化：导电性提升：氮（N）和硫（S）共掺杂引入缺陷位点，促进电子和锂离子传输，电导率较纯碳提升2-3个数量级。弹性模量优化：碳化处理使CBPOD弹性模量提高至15-20GPa，抑制硅颗粒团聚，维持电极结构完整。性能突破长循环稳定性：在4A g?1（约8C）高倍率下循环1000次后，可逆容量仍达1110.8mAh g?1，容量衰减率仅0.027%每循环。对比未包覆硅电极（100次循环后容量衰减超80%），CBPOD显著延长了循环寿命。高能量密度：在0.2C条件下循环300次后，能量密度达574Wh kg?1，容量保持率超75.6%，接近理论值上限。倍率性能：在10A g?1（约20C）极端条件下，容量保持率超60%，远优于传统石墨负极（约10%以下）。机制解析界面钝化：CBPOD抑制电解质与硅直接接触，减少副反应，SEI膜厚度稳定在20-30nm（传统硅电极SEI膜厚达100nm以上）。应力分散：多孔结构允许硅体积变化时局部形变，避免整体结构破坏，循环后电极厚度变化率15%。快速动力学：N/S共掺杂降低锂离子扩散能垒，结合高导电性，实现快速充放电（10分钟充满80%容量）。研究意义技术路径：为高体积能量密度、长循环寿命的硅基复合负极开发提供了可扩展的解决方案，推动锂离子电池向400Wh kg?1以上能量密度迈进。应用前景：适用于电动汽车、储能系统等对能量密度和循环寿命要求严苛的领域，有望替代传统石墨负极。文献信息：论文标题：Robust Nitrogen/Sulfur Co-Doped Carbon Frameworks as Multifunctional Coating Layer on Si Anodes Toward Superior Lithium Storage期刊：Advanced Energy Materials（2024）DOI：10.1002/aenm.202403086