优化结构设计以提高SiOx-球形多孔碳纳米管（CNTs）复合阳极在锂离子电池中的骑行稳定性

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Optimal Structural Design to Improve Cycling Stability of SiOx-Spherical Porous CNTs Composite Anode for Lithium-Ion Battery

硅氧化物（SiOx）作为锂离子电池阳极材料因高理论容量和结构稳定性备受关注，但其实际应用受限于循环稳定性差和电导率低。本研究采用等离子体增强化学气相沉积（PE-CVD）在球形多孔碳纳米管（SPC）框架上原位沉积SiOx纳米层，形成SiOx-SPC复合电极（SSC）。实验表明，SSC具有高电导率、快速锂离子扩散和优异机械稳定性，初始容量达1032.26 mAh/g，循环100次后容量保持率102%，显著优于物理混合样品。研究揭示了SPC框架与SiOx层协同作用对提升电池性能的关键机制。

　　硅氧化物（SiO?）作为锂离子电池（LIBs）的负极材料，因其高理论比容量和结构稳定性而受到广泛关注。然而，其在实际应用中受到循环稳定性不足和电导率低等问题的限制。为了解决这些问题，研究者采用等离子体增强化学气相沉积（PE-CVD）技术合成了一种SiO?-球形多孔碳纳米管（SPC）复合材料，即SiO?-SPC复合材料（SSC）。这种结构通过优化的SPC框架实现了SiO?的均匀沉积，从而显著提升了SSC的电导率、锂离子扩散能力和机械稳定性，使得其在循环过程中表现出优异的性能。

在实验过程中，研究团队首先通过喷雾干燥法合成SPC，这是一种能够提供多孔结构和良好导电性的材料。随后，他们通过物理混合的方法制备了两种对比样品：MSiO?与SPC混合（MSSB）以及MSiO?与石墨混合（MSGB）。这些样品用于评估复合材料与传统混合材料在电化学性能上的差异。而SSC则通过PE-CVD技术，在SPC表面沉积了一层均匀且薄的SiO?纳米层。这种方法不仅避免了SiH?在与氧气反应时可能带来的安全隐患，还确保了SiO?层与SPC框架之间形成牢固的结合，从而提升了整体的结构稳定性和电化学性能。

在材料表征方面，研究者利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和背散射电子成像（BSE）分析了SSC、SPC、MSiO?、MSSB和MSGB的结构演变。结果显示，经过PE-CVD沉积后的SSC呈现出更加光滑的表面形态，且在多孔结构中形成了均匀的SiO?层，这与原始SPC的多孔结构形成了鲜明对比。同时，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析，研究团队确认了SSC中的SiO?层具有非晶态和异质性，这种特性有助于缓冲体积膨胀，促进锂离子的快速扩散，并形成稳定的固态电解质界面（SEI）层。而其他对比样品则表现出较高的结晶度，这可能意味着它们在循环过程中更容易发生结构破坏和SEI层的不稳定形成。

在电化学性能测试中，研究者使用了2032扣式电池进行实验。结果显示，SSC电极在初始放电容量上表现出优异的性能，达到了1032.26 mAh g?1，而经过100次循环后，其容量保持率高达102%，显著优于MSiO?（约41%）和混合样品。这一结果表明，SSC在长期循环过程中能够保持较高的结构完整性，从而有效减少容量衰减。此外，通过循环伏安法（CV）和恒电流间歇滴定技术（GITT）等方法，研究团队进一步验证了SSC的锂离子扩散系数（4.66 × 10?1? cm2 s?1）以及较低的极化效应，这表明其在高电流密度下仍能保持良好的电化学性能。

研究还通过电化学阻抗谱（EIS）分析了SSC与其他材料之间的电荷转移动力学差异。结果显示，SSC的表面电阻（R?）、SEI层电阻（R_SEI）和电荷转移电阻（R_ct）均低于其他样品，这表明其具有更低的内部电阻和更优的电荷转移能力。而MSSB和MSGB样品则表现出较高的电阻值，这与它们在循环过程中由于体积膨胀和SEI层不稳定而导致的结构破坏密切相关。通过这些分析，研究团队进一步证明了SSC在结构设计和电化学性能上的优势。

此外，研究者还通过氮吸附-脱附分析和BET法评估了SSC的比表面积和孔隙结构。结果显示，经过PE-CVD沉积后的SSC比表面积显著降低，但其孔隙体积和孔径分布发生了变化，表明SiO?层在多孔结构中形成了较为均匀的覆盖。这种结构变化不仅有助于锂离子的快速扩散，还减少了体积膨胀对电极结构的影响，从而提升了其循环稳定性。同时，通过热重分析（TGA）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）等方法，研究团队验证了SSC中Si和O的含量，以及其在高温下的热稳定性，进一步证明了其在实际应用中的可靠性。

在实际应用方面，SSC的优异性能使其成为下一代锂离子电池负极材料的有力候选者。其结构设计不仅解决了SiO?材料本身存在的电导率低和体积膨胀问题，还通过与SPC的结合，实现了电荷转移动力学的优化和SEI层的稳定形成。这种复合材料的开发为高容量、高能量密度的LIBs提供了新的思路，尤其是在提高电池寿命和循环稳定性方面展现出巨大潜力。此外，研究团队还通过与其他SiO?/C复合材料的对比，证明了SSC在初始比容量、循环保持率和倍率性能上均优于现有材料，这为未来的材料设计和电池技术发展提供了重要的参考依据。

总的来说，这项研究通过PE-CVD技术成功合成了具有优异电化学性能的SiO?-SPC复合材料（SSC），并系统地分析了其结构和性能的优势。SSC的结构设计有效缓解了SiO?材料在循环过程中可能出现的体积变化和结构破坏问题，同时提升了锂离子的扩散效率和电极的导电性。这些改进使得SSC在实际应用中展现出更高的比容量和更长的循环寿命，为开发高性能锂离子电池负极材料提供了新的方向。未来，随着材料合成技术的进一步优化和规模化生产，SSC有望在新能源汽车、可穿戴设备和储能系统等领域得到广泛应用。