類石墨層包裹的硅納米球（Si@C）具有較高的比容量，但是在鋰化的過(guò)程中，硅球內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致硅球急劇膨脹，破壞外部網(wǎng)狀包裹層，因此一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。近日，PicoFemto?助力北京交通大學(xué)王熙教授、中科院過(guò)程所陳仕謀研究員在Si@NG基鋰離子電池負(fù)極材料的研究中取得新的發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究成果以《Stress-relieving defects enable ultra-stable silicon anode for Li-ion storage》為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Nano Energy》（IF=15.46）上。

圖1. 原位實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié) 

圖2. PicoFemto?原位電學(xué)樣品桿示意圖（JEOL或FEI電鏡兼容）

圖3. In situ TEM measurements of Si@NG and Si@G materials.（源自原文）

研究人員利用PicoFemto?原位電學(xué)樣品桿（TEM-STM holder）在透射電鏡中原位研究了Si@NG負(fù)極材料在鋰化過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)氮摻雜的碳層包裹在硅納米球上能有效緩解硅球在鋰化過(guò)程中的體積膨脹。他們仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)：碳層中N的均質(zhì)摻雜使NG網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了分布均勻的"空穴"缺陷，充分保證了硅球在膨脹過(guò)程中的應(yīng)力釋放。電池循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果顯示，Si@NG表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性（在2100 mA g^-1的電流密度下，100個(gè)循環(huán)后1321 mAh g^-1的比容量，保持率約96.6%）。此外，初始庫(kù)侖效率(ICE) 達(dá)到90.3%。結(jié)論：原位透射電鏡研究結(jié)合有限元分析表明，氮參雜的Carbon matrix能夠有效緩解硅球鋰化過(guò)程中體積膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，使得內(nèi)部的硅球保持完整，保證了Si@NG負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的倍率性能。該研究驗(yàn)證了一種提高Si/C基電極材料電化學(xué)性能的可靠方法，為其在鋰離子電池（LIBs）中的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。

原文DOI鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104568

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