2024年11月3日，中南大学吴飞翔、李杨团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“High-Performance Yolk-Shell Structured Silicon-Carbon Composite Anode Preparation via One-Step Gas-Phase Deposition and Etching Technique”的研究论文，团队成员周鹏为论文第一作者，李杨、吴飞翔为论文共同通讯作者。
为生产高容量硅（Si）阳极，该研究开发了一种气相沉积和蚀刻相结合的技术，以构建蛋黄壳结构的硅碳复合材料。NF3作为电池领域的新型蚀刻剂，被用于选择性蚀刻硅用于定制结构。硅颗粒作为自牺牲的前驱体，无需事先建立人工或复杂的模板，从而大大简化了制造过程，体现了实用性。因此，只需一步即可成功制备蛋黄壳结构硅碳复合材料。硅层和碳层之间有足够的缓冲空间，可适应硅在锂化过程中的显著膨胀，防止碳层断裂，从而显著提高硅基阳极的使用寿命。此外，硅的细化粒度和硅内核中丰富的孔隙增强了锂化和去锂化动力学。即使硅的负载量高达3.9 mg cm-2，在0.2 mA cm-2的条件下，所制备的阳极也能显示出16.3 mAh cm-2的超强磁场容量。此外，在4 A g-1的高电流密度下，经过1000次循环后，该阳极显示出1114 mAh g-1的出色容量，容量保持率高达96.3%。此外，通过预硫化，它还成功地与三氟化铁正极配对，构建了高能锂离子电池。
DOI：10.1002/adfm.202406579
该研究制备的蛋黄壳结构的Si@void@C复合材料用作LIB的阳极，展现出以下几个优点：(i) 多孔硅（简称pSi）内核中存在的孔隙以及pSi核芯与碳层之间的缓冲空间能够有效容纳硅在锂化过程中的膨胀；(ii) Si核芯中的孔隙和精细化的Si核芯粒径降低了锂离子的扩散路径；(iii) N和F共掺杂的碳（简称NFC）层展现出显著的赝电容行为。因此，使用pSi@void@NFC阳极的半电池展现出极佳的循环稳定性和倍率性能。即使在高达4 A g-1的高电流密度下，pSi@void@NFC阳极仍能保持96.3%的优异容量保持率，在1000次循环后仍保留1114 mAh g-1的容量。此外，由于其高理论容量（712 mAh g-1）、高电压平台和低制备成本，氟化铁（FeF3）有望成为LIBs的有前途的阴极候选材料。该研究采用预锂化的pSi@void@NFC阳极与FeF3阴极相匹配，旨在研究部署高能量密度LIBs的可行性。
总之，该研究采用简单的方法制备了蛋黄壳结构的Si/C阳极，并探讨了其在高能全电池中的适用性。NF3是一种用于电池材料制备的新型气相蚀刻剂，可替代HF或HCl溶液等传统液相蚀刻剂。此外，硅作为一种自牺牲模板，可与NF3反应，在硅的原始位置产生空隙，而无需额外的复杂模板。通过将这种方法与用于碳涂层的商用CVD方法相结合，蛋黄壳结构的Si/C复合材料只需一步就能成功制备，显著缩短了制备时间，简化了制备过程。此外，硅核中存在的孔隙和细化的硅核粒度缩短了锂离子的扩散路径。掺杂N和F的碳层表现出显著的赝电容行为。因此，使用pSi@void@NFC阳极制备的半电池显示出卓越的速率能力和循环稳定性。即使在3.9 mg cm-2的高硅负载条件下，pSi@void@NFC阳极也能在0.2 mA cm-2的电流密度下显示出16.3 mAh cm-2的面容量。此外，利用先进的预硫化技术，它还展示了与高容量金属氟化物阴极配对构建高能电池系统的潜力。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
