山东大学冯金奎教授CEJ：基于应力释放协同结构工程的微米级硅氧烯衍生的整体多孔硅烯片用于高性能锂离子电池- 大数跨境

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山东大学冯金奎教授CEJ：基于应力释放协同结构工程的微米级硅氧烯衍生的整体多孔硅烯片用于高性能锂离子电池

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2025-05-13

导读：山东大学冯金奎教授CEJ：基于应力释放协同结构工程的微米级硅氧烯衍生的整体多孔硅烯片用于高性能锂离子电池

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文章信息

基于应力释放协同结构工程的微米级硅氧烯衍生的整体多孔硅烯片用于高性能锂离子电池

第一作者：耿娟，申恒涛

通讯作者：冯金奎*

单位：山东大学

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研究背景

随着电动汽车和便携式电子设备的快速发展，对高能量密度锂离子电池的需求日益增长。硅负极因其超高理论比容量和丰富资源被视为极具前景的替代材料，但其在充放电过程中存在剧烈体积膨胀、结构粉碎及界面不稳定等问题，严重限制了其实际应用。近年来，结构设计、材料复合和界面调控等策略被广泛研究以缓解上述挑战。硅烯作为新兴的二维硅材料，可以提高离子传导速率缓冲体积膨胀，有望显著提升硅负极的电化学性能。然而，硅烯合成过程复杂、成本高，难以规模化应用。相比之下，硅氧烯作为一种结构类似硅烯的二维材料，可由商用硅钙低成本制备，在作为前驱体制备硅烯纳米片方面展示出很好的潜力。

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文章简介

近日，山东大学冯金奎教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Stress-relieved synergistic structure engineering achieving robust monolithic porous silicene sheets from micro-sized siloxene for high-rate and high-energy lithium-ion batteries”的研究文章。该研究提出了一种新颖的合成策略，由硅氧烯前驱体可控合成多孔硅烯纳米片，并且通过系统的表征揭示了加热过程中硅氧烯的演变过程。有限元分析表明，硅烯片可有效缓解纵向应力并缩短离子传输路径，而均匀分布的纳米孔则缓解横向应力并增强离子传输动力学。循环后，多孔硅烯纳米片表面形成致密稳定的SEI膜，抑制其不稳定生长与破裂，展现优异的倍率性能和循环稳定性。

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本文要点

要点一：通过系统表征方法揭示了硅氧烯随温度变化的演变和歧化过程。

要点二：提出了一种基于硅氧烯纳米片前驱体的整体多孔硅烯片可控可扩展合成策略。

要点三：整体多孔硅烯片的协同结构有效缓解应力。更重要的是，这种稳定的协同结构有利于循环后构建均匀致密的SEI膜，展现出优异的循环性能。

图1. 多孔硅烯纳米片的合成过程示意图

图2. 不同温度和保温时间下硅氧烯的演变。(a)不同退火温度下的XRD图谱，(b) FTIR光谱，(e)拉曼光谱。(d) XPS全光谱，(c)子峰相对含量，(f) Si 2p。(g) 900℃下不同保温时间下硅氧烷的XRD图谱。(h)原始硅氧烷和Si/SiO₂的FTIR光谱

图3. (a) Si/SiO₂的结构演变示意图。(b-d)不同蚀刻时间：(b)原始、(c) 4 h和(d) 8 h下得到的产物的SEM图像和N2吸附-解吸等温线。(e) Si/SiO₂的TEM和 (f) STEM-EDS图谱。(g) MPSis的透射电镜。(h)硅氧烷，(i) Si/SiO₂和 (j) MPSis的HRTEM图像

图4. MPSis和μmSi的电化学性能。(a) MPSis和(b) μmSi负极在0.2 mV s⁻¹下从0.01 ~ 3.0 V的CV曲线。(c)恒流充放电曲线，(d)倍率性能和(e) MPSis和μmSi负极的容量保持。(f) 1A g⁻¹、(g) 2A g⁻¹和(h) 5A g⁻¹时的长期循环稳定性。(i) MPSis负极与其他硅基负极的比较

图5. 有限元分析和动力学分析。模拟MPSis和μmSi在(a) 0%和(b) 100%锂化状态下的锂浓度和应力分布。（c, d） MPSis和μmSi的GITT和扩散系数。(e)EIS和(f)不同扫描速率下的CV曲线。(g)扫描速率与峰值电流的关系

图6. 循环后的力学特性和界面形貌。(a) MPSis和(b) μmSi电极循环后的SEM横截面图。(c) MPSis和(d) μmSi电极循环后的三维表面轮廓仪得到的表面形貌，面积为530*707 μm。(e) MPSis和(f) μmSi负极循环后的透射电镜图像。(g)在MPSis和μmSi上的SEI膜示意图。循环后(h, j) MPSis和(i, k) μmSi电极的DMT模量映射和表面形貌通过AFM得到，面积分别为3*3 μm

图7. 采用(a−e) LFP和(f−h) LNMO正极的全电池的电化学表征。(a) MPSis||LFP电池的行为示意图。MPSis||LFP电池在0.5 C下的循环性能(b)和恒流充放电曲线(c)。(d) MPSis||LFP电池在1 C下的循环性能和(e)倍率性能。MPSis||LNMO电池(f)0.5 C下的的循环性能 (g)恒流充放电曲线和(h)1 C下的循环性能

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文章链接

“Stress-relieved synergistic structure engineering achieving robust monolithic porous silicene sheets from micro-sized siloxene for high-rate and high-energy lithium-ion batteries”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725043517

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通讯作者简介

冯金奎教授简介：山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，入选国家级青年人才，山东省杰青，泰山学者青年专家，山东大学材料物理化学研究所副所长。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。主要研究从事高能量二次电池材料研究。共发表SCI 论文200余篇，他引9000余次。担任Nature子刊Scientific Reports编委。Nature Publication Group 旗下刊物Scientific Reports 编委、高起点期刊ChemPhysMate编委、Energy& Environmental Materials、Susmat、Rare Metals、Infomat、Tungsten、工程科学学报青年编委，长期招聘博士后。