动态精准调控碳涂层结构促进硅负极中锂离子传输与存储

为解决硅负极材料在锂离子电池应用中面临的体积膨胀大、Li+/电子扩散慢等难题，研究人员通过设计三种不同微观结构的碳涂层，揭示了涂层结构与电化学性能的关联。研究发现，具有类硬碳特性的膨胀石墨层/孔隙（EG/P）涂层可提供快速Li+传输通道，结合深度学习原位电镜证实其有效缓冲硅体积变化。该策略使电极获得优异循环稳定性和倍率性能，为合金类负极（Ge/Sn）材料设计提供新思路。

　　

硅（Si）凭借超高理论容量成为锂离子电池（LIBs）负极的明日之星，但其充放电过程中剧烈的体积变化和迟缓的Li⁺/电子传输始终是难以逾越的技术鸿沟。碳涂层作为提升硅负极性能的经典策略，其微观结构调控的科学机制仍待深入探索。

研究团队巧妙设计了三种碳涂层结构，通过对比实验发现：具有膨胀石墨层（EG）和纳米孔隙（P）均匀分布的类硬碳涂层（EG/P）表现尤为亮眼。这种结构宛如为Li⁺铺设了高速公路——拉曼光谱和电化学阻抗谱显示其Li⁺扩散系数提升近3个数量级。更令人称奇的是，结合深度学习（DL）算法的原位电镜捕捉到，碳涂层的三维网络如同"弹性铠甲"般约束着硅颗粒的膨胀，使锂化反应始终在涂层框架内有序进行。

在全电极尺度测试中，EG/P改性电极展现出惊人的稳定性：500次循环后容量保持率达92%，10C高倍率下仍释放出80%容量。这种动态精准调控碳结构的策略，为锗（Ge）、锡（Sn）等合金型负极材料开发提供了普适性设计范式，推动新一代高能量密度电池迈向实际应用。