三维有序介孔硅碳球阵列构筑——实现锂离子电池高体积容量与长循环稳定性的协同优化

电动汽车和便携电子设备的快速发展对锂离子电池（LIBs）的能量密度、循环寿命和成本提出了更高要求，其中体积能量密度成为关键指标。硅因其高理论容量（4200 mAh g⁻¹）和适宜的工作电压被视为最具潜力的负极材料，但其在嵌锂/脱锂过程中剧烈的体积膨胀（>300%）会导致电极粉化、导电网络破坏和固态电解质界面（SEI）反复重构，严重限制了实际应用。

近日，河北工业大学材料科学与工程学院王恭凯与张程伟研究员与团队在锂离子电池负极材料领域取得进展。研究团队通过创新性优化镁热还原法及碳包覆工艺，成功开发出三维有序介孔硅/氮掺杂碳（Si/NC）球阵列（M-Si/NC-SA）新型负极材料。针对传统硅基负极因低压实密度导致的体积容量不足及循环稳定性差等问题，该研究通过采用镁片替代镁粉作为还原剂，有效调控镁热反应动力学，在还原二氧化硅模板过程中优先形成硅壳保护层，成功制备出结构完整的介孔硅基球阵列前驱体。结合氮掺杂碳包覆与选择性刻蚀工艺，最终构建出具有分级多孔结构的三维有序球阵列体系。该材料通过密堆积结构实现0.78 mg cm⁻³的高压实密度，同时利用球内介孔通道与球间大孔形成的三维互联网络，协同优化锂离子传输动力学并缓冲硅的体积膨胀应力。电化学测试表明，优化后的M-Si/NC-SA负极在0.1 A g⁻¹电流密度下体积容量高达2275 mAh cm⁻³，较传统石墨负极提升近3倍；在1 A g⁻¹高倍率下循环1000次后仍保持1011 mAh g⁻¹的比容量。匹配磷酸铁锂（LFP）正极构建的全电池体系展现优异实用性，1000次循环后放电容量稳定于94 mAh g⁻¹，能量密度达382.5 Wh kg⁻¹。尤为重要的是，该研究建立了基于模板还原-碳包覆联用技术的规模化制备工艺，单批次产量可达公斤级，为高体积容量硅基负极的产业化应用提供了创新解决方案。

相关成果以 “3D ordered mesoporous Si/C sphere arrays as high-volumetric-capacity and durable anode for lithium-ion batteries”为题发表在《Small》上（https://doi.org/10.1002/smll.202501427）上。河北工业大学硕士王群懿、贾亚夺为共同第一作者。

王恭凯，河北工业大学材料科学与工程学院研究员，博士生导师，天津市“131”创新型人才培养工程第二层次人才，河北省“三三三人才工程”第三层次人才。长期致力于储能新材料的先进制备以及在高比能、高功率、多功能电化学储能器件（二次电池、超级电容器）领域的应用和基础研究；承担多项国家级、省部级项目；共发表SCI收录论文90余篇（包括Angew. Chem. Int. Ed.、Acta Materialia、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials等），引用次数超过4000次，其中9篇文章引用次数超过100，个人H因子为33，获得授权发明专利6项；2022-23年任Rare Metals青年编委。