日本JAIST开发新型β-SiC纳米颗粒基负极材料 可用于锂离子电池

锂离子电池(LIB)以其寿命长、储电性能好、能量密度高、工作电压高等优点，已成为便携式电子、电动汽车和替代能源经济的基石。改良电极材料，是提高 LIB电化学性能最关键可行的方法。目前，电极材料研究已经超越了传统的碳基石墨负极，向过渡金属氧化物、锡和硅基材料等替代材料发展。

（图片来源：JAIST）

硅在地壳中的储量丰富程度仅次于氧元素。凭借其电子特性，尤其是高容量，这种富有前景的负极材料受到广泛关注。然而，这种材料在运行过程中的体积变化很大，从而影响其稳定性、结构完整性和电性能，导致在充放电过程中出现颗粒破碎或集流器剥落等问题。这些问题阻碍了硅基材料进入商用锂离子电池行业。

据外媒报道，为了解决这些问题，日本北陆先端科学技术大学院大学(Japan Advanced Institute of Science and Technology)的研究员Ravi Nandan、博士生Noriyuki Takamori、技术专家Koichi Higashimine、高级讲师Rajashekar Badam和Noriyoshi Matsumi教授，从闪锌矿中寻找灵感。该团队提出了一种复杂的、无需仪器的、新颖的策略，可以在相对较低的温度下制造独特的闪锌矿碳化硅纳米颗粒。

闪锌矿系统中的三维金属间化合物结构，可在其间隙位置轻松容纳锂离子。当锂离子在主体材料之间穿梭时，这种结构的体积变化很小，从而实现更好的寿命和可逆性。闪锌矿型材料的硅基对应物是β-碳化硅(SiC)。以前有些研究报告过合成β-SiC复合材料作为负极材料的技术，但大都涉及复杂的程序和仪器。

该团队设计了一种两步合成工艺，以制备β-SiC基负极材料，用于锂离子电池。第一步是在聚多巴胺基质中形成硅纳米颗粒；第二步是在掺杂氮的碳基质中将其转化为β-SiC纳米颗粒的特殊变体。有趣的是，与传统方法相比，这种转换过程需要的温度更低，可低至600摄氏度。

然后，将所获得的材料用于负极半电池配置，并进行电化学筛选。结果表明，该电池具有较高的电流密度、额定容量和良好的可逆锂离子存储兼容性。此外，还表现出高容量保持率，在300次充放电循环后，可保持约94%的容量，放电容量保持在1195 mAhg-1。

这种合成材料可成功地用作负极，当与商用LiCoO2正极结合时，以这种方式形成的全电池展示了β-SiC在商业LiB系统中的巨大应用潜力。这项研究提出的简易制备技术，为众多β-SiC和LiB方面的研究打开了大门。Matsumi教授总结道：“由于在运输过程中采用化石燃料，全球碳排放量与日俱增。这种β-SiC负极材料的制造方法成本较低，可用于开发高能量密度电池，以推动更清洁、更绿色的电动汽车行业的发展。事实上，其应用有望扩展至其他运载工具，如火车、飞机和轮船。”