天津大学JEC：提高锂离子电池氧化亚硅负极材料首次库仑效率的碳包覆和预锂化实验方法

第一作者：纪时

通讯作者：钟澄（zhongsjtu@163.com）

长续航里程的电动汽车和长续航时间的便携式电子设备需求的不断增长，加快了开发具有高能量密度锂离子电池（LIBs）的步伐。具有高理论比容量的氧化亚硅（SiO）负极材料是提高LIBs能量密度的关键因素之一。然而，在第一次锂化时，SiO与锂的不可逆电化学反应产生Li₂O和硅酸锂，导致低的首次库仑效率（ICE）。负极材料的低ICE导致来自正极材料中锂离子的过度消耗，对于有限锂源的商业LIBs来说，这将降低其实际能量密度。

天津大学通过碳包覆和预锂化制备了一种含有碳层和硅酸锂相的SiO复合材料（d-SiO/C/LSO）。这种复合材料的ICE达到了90.3%，并且具有1465 mAh g⁻¹的首次放电容量。

XRD结果表明，d-SiO/C/LSO材料中存在Li₂SiO₃相和Li₂Si₂O₅相，其中Li₂Si₂O₅相的峰强度（相对于Si峰，～28.6°）强于直接预锂化的SiO（d-SiO/LSO）材料，这表明Li₂Si₂O₅相的含量或结晶度较高。这一观察结果可能与预沉积的碳层使LiH和SiO之间的反应变得温和而均匀有关。

图1（a）d-SiO/C/LSO的制备过程示意图。d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（b）XRD谱和（c）拉曼光谱。（d）d-SiO/C/LSO的²⁹Si NMR谱。

图2 d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（a）XPS全谱和（b）O 1s XPS谱。d-SiO/C/LSO的（c）Si 2p XPS谱和（d）C 1s XPS谱。（e）d-SiO/LSO，d-SiO/C/LSO的Li 1s XPS谱。

图3（a–c）d-SiO/C/LSO在不同放大倍数下的SEM图像。（d）d-SiO/C/LSO的TEM图像和（e, f）HR-TEM图像。

图4 d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（a）首次放电/充电曲线和（b）循环性能。（c）d-SiO/C/LSO的CV曲线。d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（d）倍率性能和（e）Nyquist曲线（插图：EIS拟合的等效电路）。（f）NMC811||d-SiO/C，NMC811||d-SiO/LSO和NMC811||d-SiO/C/LSO全电池的循环性能。

图5（a）d-SiO/C，（e）d-SiO/LSO，（i）d-SiO/C/LSO电极循环前的表面SEM图像。（b）d-SiO/C，（f）d-SiO/LSO，（j）d-SiO/C/LSO电极循环前的截面SEM图像。（c）d-SiO/C，（g）d-SiO/LSO，（k）d-SiO/C/LSO电极循环100次后的表面SEM图像。（d）d-SiO/C，（h）d-SiO/LSO，（l）d-SiO/C/LSO电极循环100次后的截面SEM图像。

通过对SiO进行碳包覆和预锂化处理，有效地提升了SiO材料的ICE。通过一系列的表征和电化学性能测试，分析了SiO材料ICE提升的原因。碳层的存在缓解了SiO的体积膨胀，减少了SiO与电解质的接触；碳层粗糙的表面有利于LiH与SiO发生更均匀的反应，形成有利的硅酸锂相。同时，硅酸锂相的存在削弱了不可逆反应。碳层和硅酸锂相的协同作用提高了SiO的电化学性能。

Ji, R. Song, H. Yuan, D. Lv, L. Yang, J. Luan, D. Wan, J. Liu, C. Zhong, Improving the initial Coulombic efficiency of SiO anode materials for lithium ion batteries by carbon coating and prelithiation, Journal of Electroanalytical Chemistry (2024) 118141.

钟澄教授：天津大学材料科学与工程学院教授、博导。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家优秀青年科学基金获得者，英国皇家化学学会会士，入选2021–2023年度全球“高被引科学家”名单。目前主要研究方向为电化学冶金和电池电化学。在Nature Energy、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等国际知名刊物发表SCI收录论文200余篇。编著中英文专著/教材3部，担任国际电化学能源科学研究院终身理事、物理化学学报高级编委、Carbon Energy和Frontiers in Chemistry副主编。

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