西华大学，四川大学，Nano Energy观点：表面引发聚合封闭多孔碳实现低表面积Si-C微粒用于锂离子电池

第一作者：杨冬生

通讯作者：韩锐*，刘慰*

单位：西华大学，四川大学

当前，便携式电子设备和电动汽车的迅速发展对锂离子电池（LIBs）的能量密度提出了更高的要求。硅基合金型负极材料，以其高理论容量（Li₁₅Si₄的3580 mAh g⁻¹）、低工作电位（~0.4 V vs. Li/Li⁺）和丰富的自然储量，是下一代高比能二次电池负极材料的首选。然而，将硅颗粒植入多孔碳的基质中，可“消化”充放电过程中硅的体积变化（约380%），抑制颗粒开裂和粉化，进而减小极片膨胀、延长其循环寿命。然多孔碳材料往往孔隙率和比表面较大，对负极的首次效率（ICE）和压实密度造成较大的负面影响，成为了限制硅负极走向商业应用的主要障碍。

近日，西华大学的韩锐教授与四川大学刘慰研究员的合作团队，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为《Sealing porous carbon via surface-initiated polymerization achieves low-surface-area Si-C microparticles for Li-ion batteries》的研究论文。该论文报告了一种由表面引发聚合而形成的导电聚苯胺表面封闭层，用于多孔Si-C颗粒，以提高其在高压实密度电极中的ICE和循环稳定性。通过表面引发的聚合形成表面封闭层，具有保形生长的特性和高度交联的分子结构，将多孔Si-C颗粒的比表面积（SSA）从94.8 m²/g降低到5.7 m2/g，并使颗粒可以经受较高的压实处理（1.2 g/cc）和数百次循环充放电。

本研究提出了一种创新的表面引发聚合技术（surface-initiated polymerization）：先在多孔硅-碳（Si-C）微粒表面通过偶联反应接枝上二苯胺单体，后再引发苯胺溶液聚合反应，进而在表面形成保形包覆的交联导电聚苯胺（c-PANi）密封层。该密封层能大大降低微粒的比表面积（SSA），使初始库仑效率（ICE）从77.3%提升至84.4%。这种设计在保留多孔硅碳孔隙结构的同时获得了较低的颗粒SSA。

cPANi封装的Si-C微粒中，Si纳米颗粒嵌入到多孔碳基质中，并整体由电子导电且高机械强度的c-PANi外涂层所包裹。这种结构不仅保持了多孔结构，可缓解锂离子嵌脱时的体积变化，而且c-PANi层为多孔颗粒提供了机械封装，使颗粒可耐受电极压实和充放电循环，始终阻遏电解液对颗粒内部的侵蚀。

Si-C与石墨复配的负极（650 mAh/g）在500个循环后仍能保持70.8%的容量。在采用高面载量NCM622正极的全电池，经过了近实用工况下的100个循环充放验证（压实1.2 g/cm³，NCM622压实 3.1 g/cm³，3.4 mAh/cm²）。表明该负极技术能提高高能量密度的同时，实现稳定的循环性能。

这项研究不仅展示了该表面聚合策略在硅基负极材料上的潜力，还适用于同样具有高体积膨胀特点的合金类负极材料。通过密封层的设计，将低SSA与高孔隙率集于一身，这为开发下一代锂离子电池Si-C复合负极材料提供了新的思路。此外，研究还突出了高极片压实和高面容量测试条件的重要意义，为实用化电池材料开发指明了方向。

Sealing porous carbon via surface-initiated polymerization achieves low-surface-area Si-C microparticles for Li-ion batteries, Dongsheng Yang, Ming Chen, Rui Han*, Yiteng Luo, Hao Li, Zhirong Kang, Yungui Chen, Ju Fu, Naseem Iqbal, Wei Liu*