容量是石墨三倍！硅烯更適合做鋰離子電池負極？
鋰離子電池是最常用的儲能裝置，由于具有便于攜帶、環(huán)境友好和高能量密度等特點，廣泛應用于智能手機、筆記本電腦以及電動車中。最常用的負極材料是石墨，其層間的范德華力確保該材料在充放電過程中的穩(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)定性的材料是當下鋰離子電池研究的熱點。
硅烯是一種具有蜂窩狀結構的層狀硅材料，可通過分子束外延以及固相反應的方法制備得到。由于在硅烯中，硅原子間的鍵長要比石墨烯中碳原子間的鍵長大許多，所以硅烯中層間原子排列具有曲翹的排列結構。相比于傳統(tǒng)金剛石結構的硅材料，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，確保在充放電過程中硅烯的結構不被破壞，從而避免了傳統(tǒng)硅電極材料在充放電過程中電極體積膨脹的問題。利用硅烯制作的負極材料的穩(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，其理論容量可以達到石墨的三倍左右。
最近，澳大利亞伍倫貢大學杜軼課題組通過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地研究了硅烯的原子和電子結構。研究結果清楚地顯示了硅烯的 ABA? 結構。通過角分辨光電子能譜儀確定了硅烯的狄拉克費米子特性，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)硅材料中導電性差的問題。另外，研究還表明硅烯在大氣下的穩(wěn)定性遠高于傳統(tǒng)硅材料，其結構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的莊金呈博士和李志博士。
硅烯蜂窩狀 ABA? 原子結構
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構，通過局部化學插層的方法把鈣移除，進而得到獨立無襯底的硅烯。利用這種化學法制備的硅烯作為鋰電池的陰極，同時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，成為一種非常有潛力的鋰離子電池負極材料。
固相反應法和化學法制備硅烯
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