通过Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3与碳层协同修饰硅负极实现高效锂离子电池的结构稳定性调控

本文推荐一种新型Si@LATP@C复合负极材料，通过溶胶-凝胶与环化法在纳米硅表面构建LATP（锂铝钛磷酸盐）离子导体和碳导电层双重包覆结构。该设计有效抑制硅体积膨胀（>300%），促进Li+迁移（10?3 S cm?1），并诱导形成富LiF的稳定SEI（固态电解质界面膜）。全电池与Li1.2Ni0.3Ti0.3Nb0.2O2@B2O3正极匹配展现198.2 mAh g?1容量，为高能锂电池负极设计提供新策略。

　　

Highlight

硅负极因巨大理论容量（3579 mAh g^?1）和低工作电位（～0.4 V vs. Li⁺/Li）成为高容量锂离子电池（LIBs）的理想选择，但其充放电过程中显著体积变化导致机械结构退化和不稳定SEI膜生成，引发容量快速衰减。

Introduction

硅（Si）负极在锂离子电池中面临体积变化（>300%）和界面副反应的双重挑战。纳米硅虽减轻颗粒破碎，但高比表面积加剧电解质副反应。碳基质（如石墨烯、碳纳米管）可改善导电性和机械缓冲，但弱界面结合导致循环中硅与碳分离。导电聚合物（如环化聚丙烯腈cPAN）通过π-π堆叠和氢键增强界面粘附，形成稳定导电网络。此外，锂磷酸盐材料（如LATP）具有高离子电导率（10^?3 S cm^?1）和结构稳定性，作为人工SEI可选择性传导Li⁺并抑制自然SEI过度生长。本研究设计LATP与碳双涂层包覆硅（Si@LATP@C），同步提升离子/电子传导路径和机械稳定性。

Materials and Methods

采用球磨法处理硅泥获得纳米硅，通过溶胶-凝胶法在硅表面包覆LATP：将LiNO₃、Al(NO₃)₃·9H₂O和C₁₂H₂₈O₄Ti溶解于无水乙醇，加入硅粉搅拌后滴加NH₄H₂PO₄溶液，凝胶干燥后煅烧获得Si@LATP。随后通过PAN溶液涂覆和300°C环化处理形成碳层，最终得到Si@LATP@C复合材料。

Results and Discussion

LATP硬层缓解体积变化应力并提供Li⁺迁移通道，碳层维持导电网络并抑制电解液直接接触硅。XPS证实富LiF的SEI形成，提升界面稳定性。Si@LATP@C在0.2 A g^?1下展现2437.2 mAh g^?1容量，500次循环后容量保持率超80%。全电池与LNTNO@B₂O₃正极匹配，在10 mA g^?1下实现198.2 mAh g^?1容量，100次循环后容量保持82.1%。

Conclusion

通过溶胶-凝胶与环化法在硅表面构建LATP@C多功能涂层，有效抑制机械应变、提升Li⁺扩散系数（通过LATP离子通道）并稳定SEI（通过富LiF界面）。该设计为高能锂电池硅负极提供了材料-界面协同调控新视角。