单宁酸辅助界面工程构建双层碳包覆纳米硅负极实现高效锂离子存储

针对硅基负极材料在充放电过程中存在的导电性差、体积膨胀大等问题，研究人员通过单宁酸(TA)辅助界面工程和金属有机框架(ZIF)修饰，开发出具有双层碳壳结构的Si@C@CoNC复合材料。该材料在0.5 A g?1 下循环300次后仍保持967.5 mAh g?1 的可逆比容量，膨胀率仅35.9%，为高容量硅基负极商业化提供了新思路。

　　

随着便携式电子设备和新能源汽车的快速发展，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和长循环寿命成为储能领域的主角。然而，传统石墨负极的理论比容量仅为372 mAh g^?1
，难以满足日益增长的能源需求。相比之下，硅(Si)材料具有4200 mAh g^?1
的超高理论容量，但其在充放电过程中300%的体积膨胀和本征导电性差等问题严重制约了实际应用。

针对这一挑战，广西大学的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表了一项创新研究。他们通过单宁酸(TA)辅助的液相搅拌法，在纳米硅表面依次引入TA和ZnCo-ZIF（沸石咪唑酯骨架），经碳化后成功构建了具有双层碳壳结构的Si@C@CoNC复合材料。这种独特的"核-双壳"结构不仅通过外层CoNC（钴氮共掺杂碳）的机械支撑作用缓冲体积变化，其多孔特性还显著提升了锂离子扩散速率。

研究采用的主要技术包括：1)TA分子界面修饰增强ZIF在硅表面的均匀沉积；2)ZnCo-ZIF碳化形成氮掺杂导电网络；3)有限元模拟验证双层碳壳的应力分散效果。实验样本采用商业纳米硅粉体，通过简单的液相工艺实现规模化制备。

【Synthesis and characterization】
通过TA分子的酚羟基与硅表面作用，使硅颗粒带负电从而促进ZnCo-ZIF的均匀包覆。XRD和TEM证实了双层碳壳的成功构建，内层为TA衍生的无定形碳（~5 nm），外层为ZIF衍生的多孔CoNC（~20 nm）。BET测试显示复合材料具有212.3 m²
g^?1
的比表面积，有利于电解液渗透。

【Electrochemical performance】
在0.5 A g^?1
电流密度下，Si@C@CoNC的首周库伦效率达81.9%，远高于纯硅的52.3%。循环300次后容量保持率超过85%，电极厚度仅增加35.9%，而对照组硅碳复合材料膨胀达128%。GITT测试表明其锂离子扩散系数比单层碳包覆样品提高2个数量级。

【Finite element analysis】
COMSOL模拟显示，传统单层碳壳在硅嵌锂时会出现58.7 MPa的局部应力集中，而双层碳壳能将最大应力降至32.5 MPa，且应力分布更均匀。这种"应力再分配"效应有效抑制了电极裂纹的产生。

【Conclusion】
该研究通过TA分子界面调控和ZIF衍生碳壳的协同设计，实现了三个关键突破：1)内层碳通过强界面结合固定硅颗粒；2)外层CoNC提供导电网络和膨胀缓冲空间；3)氮掺杂提升界面电荷传输。这种简易、可放大的制备方法为高容量硅基负极的商业化提供了新范式，其设计理念也可拓展至其他高膨胀电极材料体系。

值得注意的是，研究团队在CRediT贡献声明中明确标注了每位作者的具体贡献：周建华负责课题构思和经费获取，岳晓琳和李正伟完成主要实验和初稿撰写，高杰和王晓阳参与方法学指导，宋小欧进行可视化分析，陈俊亮和缪雷参与数据采集。该工作获得国家自然科学基金（52173094）和广西科技计划项目（AB25069268）的资助。