王国勇教授、江忠浩教授、杨春成教授，CEJ：亚微米硅笼上的硅量子点具有100%的初始库仑效率和优异的锂离子电池循环稳定性- 大数跨境

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王国勇教授、江忠浩教授、杨春成教授，CEJ：亚微米硅笼上的硅量子点具有100%的初始库仑效率和优异的锂离子电池循环稳定性

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2025-11-25

导读：王国勇教授、江忠浩教授、杨春成教授，CEJ：亚微米硅笼上的硅量子点具有100%的初始库仑效率和优异的锂离子电池循环稳定性

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文章信息

亚微米硅笼上的硅量子点具有100%的初始库仑效率和优异的锂离子电池循环稳定性

第一作者：孙蕾

通讯作者：王国勇*

单位：吉林大学

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研究背景

硅具有超高的理论容量（4200 mAh∙g^-1）被认为是锂离子电池的理想阳极材料。但是，首圈库伦效率低，严重的体积膨胀和不稳定的SEI膜，导致循环寿命差，容量衰减严重，限制了商业应用的步伐。本篇观点是使用电化学方法在亚微米二氧化硅笼的表面原位还原硅量子点。通过电化学手段诱导还原二氧化硅产生均匀锚定在机械坚固的二氧化硅框架上的超细硅畴。这种结构同时适应体积变化并抑制不可逆的锂消耗，实现长循环寿命。本文有助于加速硅基电池领域的研究及实际应用。

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文章简介

吉林大学王国勇教授，在期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Silicon quantum dots on submicron silica cage with 100% initial coulombic efficiency and superior cycling stability for lithium-ion batteries”的观点文章。该文章通过电化学手段诱导还原中空二氧化硅，原位形成镶嵌硅量子点的二氧化硅笼，实现高比容量和长循环寿命。

Fig. 1. Schematic illustration of the preparation of hollow SiO₂ cage and the lithium reduction process.

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本文要点

要点一：中空二氧化硅笼制备及结构表征

以聚丙烯酸链被为模板，在氨的影响下形成正电荷球形簇，使其能够有效地吸引和促进带负电荷的TEOS水解产物的沉积。热解过程中会在样品内部产生大的空隙，并在壁上产生小的缺陷，最后形成中空二氧化硅笼。空心二氧化硅笼为非晶态，平均直径约为250 nm，壁厚约为50nm。

Fig. 2. XRD patterns of (a) hollow SiO₂and (b) Si nanospheres. SEM images of (c) hollow SiO₂and (d) Si nanospheres. TEM images of (e) and (f) hollow SiO₂nanospheres. The illustration of (f) shows the diffraction image.

要点二：激活条件与SiO₂容量的关系

对电池施加2mV的恒定电压（CPD），可以引起离子迁移，在电极表面建立离子浓度梯度，使得SiO₂被还原。SiO₂的容量取决于激活量。激活时间越长或激活温度越高，容量就越大。当SiO₂电极通过在50°C下CPD处理15小时可获得504mAh∙g^-1的容量。

Fig. 3. (a) The constant potential discharge curve of hollow SiO₂at different time at 25 ℃. (b) the constant potential discharge curve of hollow SiO₂at different temperatures for 24h. (c) the first charge and discharge curve of hollow SiO₂ after constant potential discharge under 25 ℃ for different time. (d) The first charge and discharge curve of hollow SiO₂after constant potential discharge at different temperatures for 24h. (e) The first cycle capacity line graph of hollow SiO₂after constant potential discharge under different conditions. (f) Cycling performance of hollow SiO₂after constant potential discharge under different conditions.

要点三：还原SiO₂电化学性能和倍率性能

还原SiO₂电极的cv曲线与硅电极相似。还原SiO₂电极的CV 曲线和GCD曲线的前三圈高度重合，其库仑效率接近100%。说明高效的锂化过程和对主要不可逆反应的抑制。与硅电极相比，循环寿命明显更长。还原SiO₂电极的第一个循环库仑效率为99.31%，在300个循环中保持接近100%。还原SiO₂电极在3 A·g^-1的电流密度下放电容量为211 mAh∙g^-1。表现出优异的倍率性能和稳定性。

Fig. 4. CV curves for the first three cycles of (a) hollow SiO₂and (c) Si nanospheres collected at a scan rate of 0.1 mV·s^-1 within the voltage range of 0.01-1.8 V. Cyclic GCD profiles of (b) hollow SiO₂and (d) Si nanospheres at a current density of 0.2 A∙g^-1. (e) Cycling performance of hollow SiO₂and Si nanospheres at a current density of 0.2 A∙g^-1. (f) Rate capabilities of hollow SiO₂various current densities ranging from 0.1 to 3.0 A·g^-1.

要点四：全电池具有优异循环性能

全电池在0.1C 到10C的电流密度下可提供160到51.7 mAh∙g^-1的可逆比容量，具有优异的速率性能和可逆性。全电池在0.2C的倍率下循环100次后保持了120.5 mAh∙g^-1的高可逆容量，每次循环的容量衰减率为0.21%。SiO₂//LFP全电池实现了340Wh∙kg^-1的高能量密度，突显了还原型中空SiO₂纳米材料在高能量密度储能应用中的巨大潜力。

Fig. 5. (a) Rate performance of SiO₂//LiFePO₄full cells. (b) Galvanostatic charge - discharge profiles of the SiO₂//LiFePO₄full cells at 0.1 C, 0.2 C ,0.5 C, 1 C, 2 C, 5 C and 10 C. (c) Cycling stability of SiO₂//LiFePO₄ and Si//LiFePO₄full cells at a rate of 0.2 C. (d) Galvanostatic charge - discharge profiles of the SiO₂//LiFePO₄full cells at 0.2 C with different number of cycles.

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文章链接

Silicon quantum dots on submicron silica cage with 100% initial coulombic efficiency and superior cycling stability for lithium-ion batteries”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170713

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通讯作者简介

王国勇教授：吉林大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，现任材料科学与工程系主任。聚焦于仿生与功能表面工程、能量存储与转化材料以及高性能结构材料。共获授权发明专利 5 项，发表 SCI 论文 80 余篇，论文总引用次数超过 3070 次，H 指数为 27。担任 Separations期刊客座编辑，国际先进材料学会（IAAM）会士。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目等 9 项科研课题。