锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料，具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^-1)以及合适的脱锂电位(< 0.5 V)，且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好，被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而，SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%)，易导致材料颗粒粉化、脱落，严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来，人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发，阐述了该材料面临的主要瓶颈问题；继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面，系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略，并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳，最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。

由于科学技术的快速发展，现代社会对储能设备的需求日益增加。在当前的能量存储设备中，锂离子电池（LIB）由于其高能量密度、高功率密度、长寿命、低自放电率、宽工作温度范围和环境友好性而被广泛应用于便携式电子设备、便携式电动工具、医疗电子设备和其他领域。然而，近年来，随着移动电子和电动汽车等各种技术领域的快速发展，对能量密度远高于当前电池的需求不断增加。因此，开发具有高能量密度、延长循环寿命和高安全性的LIB已成为该领域的焦点。为了实现上述目标，重要的是战略性地使用比容量相对较高的新型阳极材料。目前，人造石墨通常用作商业化传统锂离子电池的阳极材料，其实际容量仅为360–365 mAh·g-1。因此，使用石墨阳极的LIB在能量密度方面的改进空间有限。在过去的二十年中，人们对硅基阳极材料进行了大量的研究，这些材料与碳属于同一家族。迄今为止，常见的硅阳极材料主要包括纳米硅（nano-Si）、一氧化硅（SiO）、低氧化SiO（SiOx）和非晶硅金属合金（非晶SiM）。其中，SiO作为LIB的负极材料最受关注。作为锂离子电池（LIBs）的阳极，一氧化硅（SiO）具有高的比容量（约2043mAh·g-1）和合适的充电（脱锂）电势（<0.5V）。此外，由于其原料资源丰富、制造成本低和环境友好，SiO被认为是下一代高能量密度锂离子电池的有前途的候选者。基于对现有商业化SiO材料的测试，纯SiO的可逆比容量可以达到1300–1700 mAh·g-1。然而，当用作LIBs的阳极时，SiO在锂化/脱锂过程中发生严重的体积变化（~200%），这可能导致阳极材料的严重粉碎和分离。同时，硅酸锂和氧化锂在初始放电-充电循环期间不可逆地形成。此外，SiO的电导率相对较低（6.7×10-4S·cm-1）。这些缺点严重影响了基于SiO的LIB的界面稳定性和电化学性能，导致初始库仑效率低和长期循环稳定性差，这严重限制了其商业应用。近年来，在SiO阳极的结构优化和界面改性方面进行了大量的研究。然而，仍然缺乏对这些重要事态发展的更全面的总结。因此，本综述旨在为对这一新兴领域感兴趣的读者介绍这一领域的研究工作，并详细总结近年来关于SiO性能优化的研究工作。基于SiO阳极材料的结构特点，本文阐述了该材料面临的主要挑战，然后从SiO结构优化、SiO/碳复合材料和SiO/金属复合材料的角度总结了结构和界面改性策略。简要介绍了所有研究中的方法及其特点，展示了电化学性能，并对其相关性进行了比较和讨论。最后，我们提出了今后SiO阳极结构和界面优化的发展方向。