鋰離子電池(LIB)以其壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)電性能好、能量密度高、工作電壓高等優(yōu)點(diǎn)，已成為便攜式電子、電動(dòng)汽車和替代能源經(jīng)濟(jì)的基石。改良電極材料，是提高 LIB電化學(xué)性能最關(guān)鍵可行的方法。目前，電極材料研究已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的碳基石墨負(fù)極，向過(guò)渡金屬氧化物、錫和硅基材料等替代材料發(fā)展。

硅在地殼中的儲(chǔ)量豐富程度僅次于氧元素。憑借其電子特性，尤其是高容量，這種富有前景的負(fù)極材料受到廣泛關(guān)注。然而，這種材料在運(yùn)行過(guò)程中的體積變化很大，從而影響其穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)完整性和電性能，導(dǎo)致在充放電過(guò)程中出現(xiàn)顆粒破碎或集流器剝落等問(wèn)題。這些問(wèn)題阻礙了硅基材料進(jìn)入商用鋰離子電池行業(yè)。

據(jù)外媒報(bào)道，為了解決這些問(wèn)題，日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(Japan Advanced Institute of Science and Technology)的研究員Ravi Nandan、博士生Noriyuki Takamori、技術(shù)專家Koichi Higashimine、高級(jí)講師Rajashekar Badam和Noriyoshi Matsumi教授，從閃鋅礦中尋找靈感。該團(tuán)隊(duì)提出了一種復(fù)雜的、無(wú)需儀器的、新穎的策略，可以在相對(duì)較低的溫度下制造獨(dú)特的閃鋅礦碳化硅納米顆粒。

閃鋅礦系統(tǒng)中的三維金屬間化合物結(jié)構(gòu)，可在其間隙位置輕松容納鋰離子。當(dāng)鋰離子在主體材料之間穿梭時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的體積變化很小，從而實(shí)現(xiàn)更好的壽命和可逆性。閃鋅礦型材料的硅基對(duì)應(yīng)物是β-碳化硅(SiC)。以前有些研究報(bào)告過(guò)合成β-SiC復(fù)合材料作為負(fù)極材料的技術(shù)，但大都涉及復(fù)雜的程序和儀器。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種兩步合成工藝，以制備β-SiC基負(fù)極材料，用于鋰離子電池。第一步是在聚多巴胺基質(zhì)中形成硅納米顆粒；第二步是在摻雜氮的碳基質(zhì)中將其轉(zhuǎn)化為β-SiC納米顆粒的特殊變體。有趣的是，與傳統(tǒng)方法相比，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程需要的溫度更低，可低至600攝氏度。

然后，將所獲得的材料用于負(fù)極半電池配置，并進(jìn)行電化學(xué)篩選。結(jié)果表明，該電池具有較高的電流密度、額定容量和良好的可逆鋰離子存儲(chǔ)兼容性。此外，還表現(xiàn)出高容量保持率，在300次充放電循環(huán)后，可保持約94%的容量，放電容量保持在1195 mAhg-1。

這種合成材料可成功地用作負(fù)極，當(dāng)與商用LiCoO2正極結(jié)合時(shí)，以這種方式形成的全電池展示了β-SiC在商業(yè)LiB系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究提出的簡(jiǎn)易制備技術(shù)，為眾多β-SiC和LiB方面的研究打開(kāi)了大門。Matsumi教授總結(jié)道：“由于在運(yùn)輸過(guò)程中采用化石燃料，全球碳排放量與日俱增。這種β-SiC負(fù)極材料的制造方法成本較低，可用于開(kāi)發(fā)高能量密度電池，以推動(dòng)更清潔、更綠色的電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。事實(shí)上，其應(yīng)用有望擴(kuò)展至其他運(yùn)載工具，如火車、飛機(jī)和輪船?！?/p>

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