《Materials Science and Engineering: B》：Tailoring interfacial kinetics in N,P-co-doped carbon/silicon composite anodes for lithium-ion batteries via flash Joule heating
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•闪电流加热实现了Si@C负极的超快结构调控。•部分石墨化与N,P共掺杂加速了锂离子传输。•原位SiC形成细化了硅颗粒并稳定了界面。引言电动汽车和便携式电子设备的快速普及，使得人们对锂离子电池（LIBs）提出了更高能量密度、更长循环寿命和更高安全性的需求。[1] 传统石墨负极
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闪电流加热实现了Si@C负极的超快结构调控。
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部分石墨化与N,P共掺杂加速了锂离子传输。
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原位SiC形成细化了硅颗粒并稳定了界面。
引言
电动汽车和便携式电子设备的快速普及，使得人们对锂离子电池（LIBs）提出了更高能量密度、更长循环寿命和更高安全性的需求。[1] 传统石墨负极受其理论比容量372 mAh·g?1的限制，越来越难以满足下一代高能量密度电池的要求。开发具有高比容量的新型负极材料已成为该领域的核心研究方向之一。[2]
硅凭借其极高的理论容量（约3579 mAh·g?1）和丰富的自然资源，成为极具吸引力的负极候选材料。然而，硅在锂化和脱锂过程中会经历剧烈的体积变化（约300%），导致颗粒粉化、电接触丧失和容量快速衰减。[3], [4] 尽管高温热解制备的碳涂层在一定程度上可以缓解硅在充放电过程中的体积膨胀，但硅基复合负极的循环稳定性仍需进一步改善。[5], [6], [7] 然而，传统热解形成的不均匀碳层结构损害了界面稳定性和离子传输效率。[8]
闪电流加热（FJH）提供了一种极具吸引力的替代方案。通过利用电流的电阻加热效应，FJH可以在毫秒内将材料温度升至1000–3000 °C，从而实现对晶体结构和形貌的精确控制。[9] 这种超快热方法已展现出广泛的适用性，包括石墨烯的可扩展合成以及制备性能优于传统热解产物的杂原子掺杂碳材料。它还开辟了石墨烯大规模低成本生产的新途径。[10]
近期多项研究突显了FJH在锂离子电池负极工程中的前景。Shan等人[11]通过简便的超快焦耳热加热方法制备了三维柔性分级碳布/碳纳米管（CC/CNTs）复合材料，并均匀负载了亲锂银纳米种子。所得CC/CNTs@Ag-Li负极具有优异的电导率和充足的锂容纳空间，展现出出色的循环效率。与传统炉热解合成的碳电极相比，闪电流加热更有利于制备高性能杂原子掺杂碳材料。Hou等人[12]对导电前驱体——碳纤维布支撑的聚苯胺——的两面施加直流电，在几分钟内将其转化为N,S共掺杂碳材料。Liu等人通过FJH优化了Si/C复合材料，合成了壳-壳型硅/碳复合材料（SS-Si/C）。[13] 得益于外层碳壳和内层中空结构的协同效应，硅主要向内膨胀，有效缓解了体积膨胀引起的机械应力。以SS-Si/C为负极组装的全电池在与LiCoO2或LiFePO4正极配对时，展现出优异的倍率性能和循环稳定性。
在上述进展以及我们的前期工作[14]基础上，将高温热解合成的具有优异综合电化学性能的聚合物衍生碳/硅（Si@C-ADP）复合材料进一步通过闪电流加热处理进行改性。系统研究了不同温度（900 °C、1000 °C、1100 °C）下焦耳热冲击对复合材料电化学性能的影响。通过焦耳加热设备在不同温度下制备了硅-碳复合材料。对改性材料进行了结构形貌表征和电化学测试。分析了焦耳加热处理对微观结构、电导率和孔隙分布的影响。同时，探讨了加热温度对硅-碳复合材料锂存储性能的优化效果。
章节摘要
ADP前驱体的合成
参考我们之前的工作，[15] 在氮气氛围下将3-氨基丙腈（3-APN, 2.0 mmol）、DOPO（1.0 mmol）和对苯二甲酸（1.0 mmol）在烧瓶中混合，反应15分钟。随后加入乙醇，将混合物转入油浴中。固体完全溶解后，加入20 mL甲酸，升温至70 °C，此时形成淡黄色沉淀。通过抽滤收集沉淀物。
结构与形貌表征
J-Si@C复合材料的制备过程如图1a所示。首先将硅纳米颗粒与ADP聚合物前驱体混合并进行球磨，以实现均匀分散。随后将所得混合物在惰性气氛下的管式炉中进行高温热解，得到Si@C-ADP复合材料，其中硅纳米颗粒被封装在连续的N,P共掺杂碳基体中。在随后的FJH改性步骤中，Si@C-ADP……
结论
本工作采用闪电流加热处理对Si@C-ADP复合材料进行改性，并系统研究了不同热冲击温度对硅-碳负极材料微观结构和电化学性能的影响。成功制备了三个改性样品，分别为J-Si@C-900、J-Si@C-1000和J-Si@C-1100，并对其进行了全面的结构、形貌和电化学表征。
结果表明……
CRediT作者贡献声明
刘小仪：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、调查研究、数据整理。杨煜辰：写作——审稿与编辑。李博文：写作——审稿与编辑、可视化。吴婧：调查研究、数据整理。杨之朗：可视化、资源。郑鹏伦：写作——审稿与编辑、方法论、概念设计。万晓娟：写作——审稿与编辑、监督指导。郑云：写作——审稿与编辑、监督指导、概念设计。
致谢
作者感谢教育部产学合作协同育人项目（编号：240804382295522）的资助。
刘小仪|杨煜辰|李博文|吴婧|杨之朗|郑鹏伦|万晓娟|郑云
