硅基负极材料的形貌与碳包覆技术协同优化及其对锂离子电池电化学性能的影响

为解决硅基负极材料在锂离子电池中因体积膨胀和SEI不稳定导致的容量快速衰减问题，研究人员通过球磨和旋转蒸发两种碳包覆技术对比了片状硅(F-Si)与喷雾干燥微球硅(MS)的电化学性能。研究发现旋转蒸发法制备的MS样品展现出最佳性能(初始容量530 mAh/g，100次循环后保持率82%)，其均匀碳壳和多孔形貌有效缓冲了体积变化。该研究为高能量密度电池负极材料设计提供了重要技术路径。

　　

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，锂离子电池(LIBs)作为核心储能器件面临严峻挑战。传统石墨负极的理论容量仅为372 mAh/g，难以满足日益增长的能量密度需求。硅(Si)因其高达4200 mAh/g的理论容量成为最具潜力的替代材料，但其在充放电过程中会产生400%的体积膨胀，导致电极粉化、固体电解质界面(SEI)不稳定等问题，严重制约实际应用。

为突破这一技术瓶颈，Vitzrocell Co. Ltd.与韩国科学技术院的研究团队在《Materials Advances》发表重要研究成果。研究人员创新性地采用石油沥青(ZL-250M)作为碳源，通过溶剂提取法获得甲苯可溶组分，分别采用旋转蒸发(RE)和球磨(BM)两种技术对片状硅(F-Si)和喷雾干燥微球硅(MS)进行碳包覆。研究团队构建了硅/石墨(10:90)复合负极体系，系统比较了不同形貌硅材料与包覆工艺的协同效应。

关键技术方法包括：1) 通过喷雾干燥制备具有内部缓冲空间的微球硅(MS)；2) 采用甲苯溶剂提取沥青芳香组分；3) 分别运用旋转蒸发和球磨实现碳均匀包覆；4) 通过SEM、XRD、FIB等技术表征材料结构；5) 采用半电池测试评估电化学性能。

研究结果显示：

1. 形貌影响：未包覆的F-Si初始容量达610 mAh/g但循环保持率仅51%，而MS凭借多孔结构使保持率提升至58%。
2. 包覆工艺：RE法在MS上形成均匀碳壳，使初始容量达530 mAh/g且100次循环后保持率82%，显著优于BM法的79%。
3. 协同效应：F-Si经RE包覆后保持率提升至76%，证明碳层均匀性对缓冲体积膨胀至关重要。

结构表征揭示RE法形成的碳壳具有更高规整度，XPS分析证实其能有效稳定SEI层。特别值得注意的是，MS-RE样品虽然硅含量较低，但凭借独特的"核-壳-空隙"结构实现了最佳的容量-稳定性平衡。

该研究证实：1) 微球状形貌通过内部孔隙缓冲体积变化；2) 旋转蒸发技术能形成更均匀的碳保护层；3) 形貌与包覆工艺的协同优化可使硅基负极在保持高容量(>500 mAh/g)的同时，将循环保持率提升至80%以上。这项工作为开发下一代高能量密度锂离子电池提供了重要技术路线，其提出的"形貌设计-界面工程"协同策略对其它合金型负极材料开发具有普适性参考价值。研究获得韩国产业通商资源部(MOTIE)和Mitacs Accelerate计划资助，相关技术已申请专利保护。