生物质衍生硅氧化物助力高性能锂离子电池

研 究 背 景

硅氧化物（SiOx）被认为是一种很有前景的锂离子电池负极材料，然而其仍然存在固有的低电导率和脱嵌锂时较大的体积膨胀的问题，阻碍了进一步实际应用。许多研究人员致力于采用纳米化、与碳材料或/和金属基材料复合和构筑缓冲空间的策略来解决上述问题，从而提高电化学性能。 此外，过渡金属单原子或金属簇催化剂由于具有良好的电催化性能，在锂/钠-硫电池及电催化领域具有广泛的应用，而其作为锂离子电池负极材料的研究以及探究Li+和金属单原子（金属簇）掺杂碳之间的相互作用的报道很少。原子级分散金属-氮-碳还可以增强对Li+的吸附能力，提供更多的储锂位点。因此，如何设计利用金属掺杂进一步提高材料的导电性和电化学活性，降低内部SiOx反应的难度，促进电化学过程中物质或晶型的转变和研究SiOx的储锂机制，具有重要的研究意义和应用价值。  

文 章 简 介

基于此，庞欢教授在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage”的研究性论文。该文章利用生物质稻壳为硅源实现了以金属原子掺杂碳基质封装SiOx纳米颗粒，从而制备SiOx/Fe-N-C复合材料并展现出优异的储锂性能。合成方法简便、环保、产量高，具有很好的普适性，为电储能及转化领域的材料设计提供了思路。  

本 文 要 点

要点1：利用稻壳为硅源制备SiO2纳米颗粒，并利用其载体空间隔离效应和简单的静电喷雾-碳化策略制备SiOx/Fe-N-C复合材料。通过球差电镜发现SiOx/Fe-N-C样品中的Fe元素主要以单原子形式存在，微米球边缘位置仅存在少量纳米簇。此外，也已通过同步辐射表征证明SiOx/Fe-N-C样品中Fe原子与N原子配位，并证实了Fe-N4位点的形成。

图1. SiOx/Fe-N-C材料的流程图和形貌表征。  要点2：合成方法简便、产量及单原子负载量较高（~ 6 wt% Fe），具有很好的普适性。我们同样制备了SiOx/Co-N-C与SiOx/Ni-N-C两种材料，其形貌与尺寸未发生明显变化。通过球差电镜与同步辐射分析，前者仅边缘出现少量原子簇，仍主要以Co单原子形式存在，而后者主要以为Ni原子簇的形式存在（图3）。本文高负载量金属掺杂碳材料的设计与制备为电化学存储与转化领域提供了较好的借鉴意义。

图2. SiOx/Co-N-C和SiOx/Ni-N-C材料的普适性制备  要点三：结合电化学测试和DFT理论计算，SiOx/Fe-N-C复合材料展现出优异的储锂性能。主要可归结于以下几点：1）Fe-N-C框架可避免SiOx 纳米颗粒的团聚，提高SiOx体系的电化学活性且增强对Li+的吸附能力，提供更多的储锂位点；2）Fe-N-C可提高体系导电性，并缓解脱嵌锂时产生的体积膨胀；3）Fe单原子/原子簇可以促进LixSi相的解离，提高电化学可逆性。

图3. SiO2、SiOx/N-C和SiOx/Fe-N-C材料的电化学性能测试与DFT计算  要点四：总结与展望本文以可持续稻壳为硅源，通过简便的静电喷雾-碳化策略成功以Fe原子位点分散的碳基质封装SiOx纳米颗粒，从而构筑了SiOx/Fe-N-C负极材料。其单原子存在形式和具体的配位环境已证明。 结果表明，与纯SiO2和非金属掺杂SiOx/N-C对比，SiOx/Fe-N-C复合材料的可逆容量、循环稳定性和倍率性能均有显著提升，这一结果与这三类材料的循环前后的表征结果以及DFT计算包括吸附能和态密度计算结果相吻合。最后，这项工作提出了一种合理制备金属单原子（原子簇）掺杂碳/SiOx复合材料的有效策略并将其应用于高性能锂离子电池，这也有望用于其他储能和转换应用。  

文 章 链 接

Embedding Atomically Dispersed Iron Sites in Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks‐Wrapped Silicon Suboxide for Superior Lithium Storage, Advanced Science, 2022, 2206084.https://doi.org/10.1002/advs.202206084.


      审核编辑 ：李倩