近日，化学化工学院黄俊杰课题组学生团队（硕士研究生张小颂、周乐和张祎，本科生严顺榕）在《ChemicalCommunications》期刊（影响因子为6.164）上发表了题为“A facile way tofabricate porous Si/C composite with excellent cycling stability as anode inlithium ion battery”研究成果(DOI:10.1039/C9CC06661F)。研究在提升锂离子电池硅/碳负极的充放电性能方面获得了重要进展。

Si作为锂离子电池负极具有4200 mAh g^-1的高比容量，是替代石墨碳负极使锂离子电池能量密度获得极大提升的最佳材料，也是使锂离子电池驱动电动汽车拥有超长续航里程的关键材料之一。遗憾的是，充电过程Si发生巨大体积膨胀（体积膨胀率~300%），严重影响材料和电极的结构稳定，从而恶化电池的循环性能。针对这一问题，本组提出了一种硅碳材料的简易制备方法：选择蔗糖及纳米硅，通过处理，利用硅与蔗糖间的氢键作用，得到硅@蔗糖；然后加入浓硫酸，利用蔗糖的脱水碳化，形成硅@多孔低聚物；最后，在惰性气氛下进行高温碳化，从而得到硅@碳复合材料。蔗糖脱水碳化可以将硅颗粒锚定在疏松的碳中，有效防止高温碳化过程中硅的团聚；高温碳化过程中，碳与残留的硫酸反应产生气体，有利于形成大量介孔。介孔碳可以为电子和锂离子提供更多的通道，缩短扩散距离；可以抑制硅锂合金脱锂后的团聚；硅在合金化过程中因体积膨胀产生应力，被挤出原碳孔，进入邻近碳孔中，不致于因粉化而失去电接触，使整体材料保持完整性，这可通过HRTEM等表征方法得到验证。该复合材料以100mA g^-1的电流密度循环920次，容量保持率达85%以上。

图1 Si/C复合材料的合成示意图

图2 Si和Si/C复合材料的循环性能图