为了克服硅电极在充放电过程中存在的尺寸变化、电导率低以及颗粒粉碎等问题，通常通过引入碳涂层来稳定硅电极。理想的涂层应具备多重功能：首先，碳涂层作为支撑材料，可以增强机械性能，减缓体积膨胀带来的不良影响，保持电极结构完整，防止粉化；其次，碳层可作为屏障，防止硅颗粒与电解质直接接触，从而稳定固态电解质界面（SEI）并减缓不可逆容量损失；此外，碳层应形成贯穿电极的导电网络，提升硅的导电性，促进电子快速传输，从而提高电池的功率和整体性能。
然而，目前大多数用于硅改性的碳基材料存在一些问题：一方面，它们缺乏活性极性基团，与硅的相互作用较弱，界面较为脆弱；另一方面，惰性表面会导致锂离子和电子传输延迟，增加电池内阻，降低倍率性能。此外，涂层厚度与电化学性能之间存在权衡。大多数报告中，尽管厚碳涂层增强了机械稳定性和电解液兼容性，却会阻碍锂离子扩散，导致比容量和倍率能力下降。因此，解决这些问题是提升硅负极性能、实现其在高性能锂离子电池中应用的关键。
图. (a) Si-CBPOD 复合材料的制备过程示意图。(b) 导电聚合物的化学和形貌演变。
四川大学姜猛进教授与喻媛媛博士近日构建了一种核壳结构的硅复合材料，通过原位聚合和非溶剂相分离在硅颗粒表面均匀包覆多孔全共轭聚噁二唑（BPOD），并经碳化处理形成坚固的机械骨架和连续的导电网络。与传统的物理涂层方法不同，本研究采用面对面涂层策略，利用硅表面羟基与BPOD分子上的磺酸基反应，形成牢固的化学键（如Si-C、Si-O-C、Si-N-C），显著增强了整体结构的稳定性。这种结构有效防止了硅颗粒与电解质的直接接触，抑制了颗粒团聚现象。通过较低温度下进行部分碳化处理，既保持了CBPOD涂层的机械完整性，又有效提升了其导电性。该方法避免了传统碳涂层因涂层过厚而导致的电导率下降，同时保持了较高的比容量。
CBPOD涂层不仅能够有效钝化电极/电解质界面，防止硅颗粒在充放电过程中因体积膨胀而发生破裂，还通过增强的分子间耦合作用促进了有序区域的形成，从而提高了电子传输性能。氮/硫共掺杂的碳框架为CBPOD提供了丰富的活性位点和适宜的孔隙度，优化了锂离子反应动力学。电子和离子导电性的协同效应显著提升了Si-CBPOD复合材料的倍率性能。因此，Si-CBPOD电极在半电池中，即使在4 A g-1的高电流密度下，也能够在1000次循环后保持高达1110.8 mAh g-1的可逆容量；在0.2 C电流密度下，经过300次循环后，仍能保持574 Wh kg-1的高能量密度，并且容量保持率超过75.6%。这些优异的性能超越了目前大多数已报道的材料。研究结果为下一代锂电池负极材料的制备提供了新的思路，尤其在高体积能量密度和长期循环稳定性方面展现了显著的潜力。
作者简介
姜猛进，四川大学教授，主持承担有教育部博士点基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、四川省先进材料重大科技专项、四川省重点研发项目及多项企业合作项目。已发表科研论文80余篇，申请专利24项，其中已授权18项。通过研究，团队在水凝胶聚合物电解质、聚合物单离子导体、导电聚合物负极粘结剂、高比能水系超级电容构建等领域取得了众多突破。
喻媛媛，四川大学博士研究生，研究方向为导电聚合物的制备与改性，锂离子电池负极材料改性，聚合物固态电解质的研究。已发表SCI论文20篇，申请专利10项。
论文信息：
Robust Nitrogen/Sulfur Co-Doped Carbon Frameworks as Multifunctional Coating Layer on Si Anodes Toward Superior Lithium Storage
Yuanyuan Yu, Chen Yang, Yan Jiang, Zhoutai Shang, Jiadeng Zhu, Junhua Zhang*, Mengjin Jiang*
Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.202403086
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期刊简介
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