双网络凝胶衍生硅基纳米多孔负极材料：连续碳包覆策略提升锂存储性能

为应对硅基负极材料在锂离子电池（LIBs）应用中面临的体积膨胀、导电性差及SEI不稳定等问题，研究人员通过双网络凝胶衍生镁热还原法，成功构建了连续碳包覆的纳米多孔Si/Mn4 Si7 @C（Si–Mn–C）三元材料。该材料展现出优异的循环稳定性（0.5 A g-1 下100次循环后容量1445 mA h g-1 ）和高倍率性能（10 A g-1 下1118 mA h g-1 ），为高能量密度LIBs开发提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，锂离子电池（LIBs）作为高效储能载体，其能量密度提升成为研究焦点。硅（Si）因理论容量高达4200 mA h g^-1
被视为下一代负极材料，但其实际应用受限于>300%的体积膨胀、低电导率（～10^-3
S cm^-1
）及不稳定的固体电解质界面（SEI）。尽管纳米多孔结构可缓解体积效应，但内部孔隙导致的碳包覆不连续问题长期未解。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地提出双网络凝胶衍生镁热还原策略，成功制备了具有连续碳层的纳米多孔Si–Mn–C三元材料。该成果发表于《Materials Research Bulletin》，通过无机-有机双网络凝胶（Mn-SiO₂
/琼脂）前驱体的一步转化，实现了碳骨架与硅基体的原子级紧密复合。材料中Mn₄
Si₇
的引入进一步稳定了结构，最终使负极在0.5 A g^-1
下循环100次后仍保持1445 mA h g^-1
的高容量，10 A g^-1
超高倍率下容量达1118 mA h g^-1
，突破了硅基材料产业化瓶颈。

关键技术包括：1）双网络凝胶同步构建技术（Mn-SiO₂
无机网络与琼脂有机网络）；2）镁热还原原位碳包覆工艺；3）过渡金属锰（Mn）掺杂调控策略。

研究结果

1. 材料合成：通过Na₂
   SiO₃
   与MnCl₂
   共凝胶化形成双网络前驱体，经脱水、镁热还原获得Si/Mn₄
   Si₇
   @C三元材料。
2. 结构表征：透射电镜（TEM）显示碳层（约5 nm）均匀包覆在三维连通硅骨架表面，X射线衍射（XRD）证实Mn₄
   Si₇
   相的存在。
3. 电化学性能：电极在0.1 A g^-1
   首圈效率达89.2%，5 A g^-1
   下容量保持率超80%，优于传统硅碳复合材料。

结论与意义
该研究通过凝胶化学与冶金还原的交叉创新，解决了纳米多孔硅碳界面工程难题。Mn₄
Si₇
的惰性杂交有效抑制了硅的体积效应，而连续碳层不仅提升导电性，还阻隔了电解液直接接触，形成超薄稳定SEI。这种“结构-组分”双优化策略为高能量密度电池设计提供了普适性方法，推动硅基负极向商业化应用迈出关键一步。