容量是石墨三倍！硅烯更適合做鋰離子電池負(fù)極？

鋰離子電池是最常用的儲(chǔ)能裝置，由于具有便于攜帶、環(huán)境友好和高能量密度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦以及電動(dòng)車(chē)中。最常用的負(fù)極材料是石墨，其層間的范德華力確保該材料在充放電過(guò)程中的穩(wěn)定性以及循環(huán)使用壽命。但由于晶格常數(shù)較小限制了鋰離子能夠插層的位置，容量值低。尋找一種具有高容量以及循環(huán)穩(wěn)定性的材料是當(dāng)下鋰離子電池研究的熱點(diǎn)。

硅烯是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的層狀硅材料，可通過(guò)分子束外延以及固相反應(yīng)的方法制備得到。由于在硅烯中，硅原子間的鍵長(zhǎng)要比石墨烯中碳原子間的鍵長(zhǎng)大許多，所以硅烯中層間原子排列具有曲翹的排列結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)金剛石結(jié)構(gòu)的硅材料，硅烯的層間耦合作用是范德華力，層與層之間提供了可供鋰離子插入的空間，確保在充放電過(guò)程中硅烯的結(jié)構(gòu)不被破壞，從而避免了傳統(tǒng)硅電極材料在充放電過(guò)程中電極體積膨脹的問(wèn)題。利用硅烯制作的負(fù)極材料的穩(wěn)定性和循環(huán)次數(shù)都可以得到很大的提高，相比于石墨，多層硅烯的晶格常數(shù)更大，其理論容量可以達(dá)到石墨的三倍左右。

最近，澳大利亞伍倫貢大學(xué)杜軼課題組通過(guò)分子束外延的方法制備了單層/多層硅烯樣品，并用掃描隧道顯微鏡詳細(xì)地研究了硅烯的原子和電子結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果清楚地顯示了硅烯的ABA?結(jié)構(gòu)。通過(guò)角分辨光電子能譜儀確定了硅烯的狄拉克費(fèi)米子特性，這一研究表明硅烯中的電子具有極快的傳輸速度，解決了傳統(tǒng)硅材料中導(dǎo)電性差的問(wèn)題。另外，研究還表明硅烯在大氣下的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅材料，其結(jié)構(gòu)和電子性能均得以保持。這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials [1]和ACS Central Science [2]上。文章的第一作者是伍倫貢大學(xué)的莊金呈博士和李志博士。

硅烯蜂窩狀A(yù)BA?原子結(jié)構(gòu)

另外，利用固相法制備的硅烯中硅原子和鈣原子交替排列形成層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)局部化學(xué)插層的方法把鈣移除，進(jìn)而得到獨(dú)立無(wú)襯底的硅烯。利用這種化學(xué)法制備的硅烯作為鋰電池的陰極，同時(shí)具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循環(huán)特性等優(yōu)點(diǎn)，成為一種非常有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。

固相反應(yīng)法和化學(xué)法制備硅烯