【文章信息】

调控阴极电位定向制备多维硅纳米负极材料第一作者：王帆

通讯作者：李威*，汪的华*

单位：武汉大学

【研究背景】

硅纳米材料因其硅具有理论容量高、氧化还原电位低等优势而成为代替石墨负极最具潜力的材料之一。其中采用合适的硅纳米结构材料有望改善硅的容量和循环性能，这已被广泛接受。然而，目前报道的硅纳米结构材料的设计主要基于CVD等方法，且制备流程需要额外的模板或催化剂辅助。此外，目前还缺乏更简便、可扩展的方法来定制硅基纳米结构，因此，本论文面向后锂时代高能量密度锂电负极材料的发展需求，旨在以资源丰富的硅源为研究对象，发展了一种绿色、低成本、短流程、可调控的硅纳米管等材料合成技术，探究了硅纳米管的可控制备、形成过程与机理，并探索了其储锂性能。

【文章简介】

近日，来自武汉大学的李威副研究员和汪的华教授在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Electrochemical Synthesis of MultidimenSional Nanostructured Silicon as a Negative Electrode Material for Lithium-Ion Battery”的观点文章。该文章研究了阴极电位对硅纳米结构的影响，并系统分析了其形成机制中中间体产物的形态和相变变化以及对储锂性能的影响。

图 1. 不同硅纳米材料在熔盐电解中的合成示意图

【本文要点】

要点一：前处理酸浸温度和阴极电位之间的协同调控Si纳米结构

在强极化状态下硅通过快速成核生长方式获得，故可以通过对未酸化埃洛石粘土或酸化后的粘土进行强极化还原制备，即SNPs的合成机制。通过电解90 ºC下酸化的埃洛石粘土制备，由于90 ºC下酸化的埃洛石粘土具有较高的比表面积，因此在电解过程中极易与氧化钙结合并进一步形成熔融的硅酸钙，在电解过程中熔融的硅酸钙倾向硅以sp3杂化形式沉积而成SNWs。即SNWs的合成机制。调节80 ºC酸化的埃洛石粘土的阴极电解电位，在调控精细的阴极电位下实现了中间体的一系列转变，如管状结构坍塌、片材卷曲和管状结构的再次重组，即SNTs的合成机制。

要点二：Si 纳米管 (SNTs)制备的简易工艺

熔盐电化学法电解将二氧化硅转化为具有不同形态的硅已被证明是在相对较低的温度下的一种简便且具有成本效益的方法，并且熔盐电化学法不同于需要模板和催化剂的传统的CVD法，熔盐电化学法可以在无模板和无催化剂的情况下采用合适的还原电位制备硅纳米材料。然而，对于定向调控制备硅纳米管等硅纳米材料在熔盐电化学中鲜有报道。因此，本论文为发展了一种绿色、低成本、短流程、可调控的硅纳米管等负极材料的合成技术提供了新的思路。

要点三：SNTs、SNWs和SNPs作为锂电负极材料的电化学性能

作者探究了SNTs、SNWs和SNPs作为锂电负极材料的电化学性能，研究发现SNTs电极在1.0 A g-1下，1000次循环后仍保持1033.1 mAh g-1的高比容量，且每次循环仅有0.047%的容量衰减。与Si纳米颗粒和Si纳米线相比，Si纳米管显示出更高的可逆容量和更好的循环稳定性，这是由于有利的中空结构可以提供更多的Li存储位点并有效缓冲Si的体积变化。

要点四：前瞻

当前对低成本前驱体通过熔盐电解调控制备特定硅结构负极材料的研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于恒电位调控带来技术上的精细工艺阻碍了工业化进程。因此，熔盐电解制备SNTs的大规模工业化调控技术还需降到宽泛的制备条件，例如恒槽压电解，宽窗口制备等。

【文章链接】

Electrochemical Synthesis of Multi-dimensional Nanostructured Silicon as Negative Electrode Material for Lithium-ion Battery

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11393.

【通讯作者简介】

汪的华：武汉大学资源与环境学院副院长、二级教授、博导。武汉大学环境学科学术带头人；国务院政府特殊津贴获得者、国家百千万人才、国家杰出青年科学基金获得者、教育部新世纪优秀人才、科技部创新人才推进计划中青年科技领军人才；英国皇家化学会会士。1991年本科、1994年硕士毕业于武汉大学环境化学专业，1998年博士毕业于武汉大学物理化学专业，先后在英国诺丁汉大学和美国麻省理工学院访问和合作研究。主要从事高温熔盐电化学研究，包括低碳电化学冶金、二氧化碳捕集和资源化利用、废弃物资源化利用、电解电极材料与技术、材料失效与保护等，在Angewante Chemie International Edition, Energy & Environmental Science, Nature Communications，Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials，Advanced Materials，Advanced Science等期刊发表论文240余篇，被引2800余次 （h指数35）申请发明专利50余项，获省部级奖励4项。现任中国腐蚀与防护学会副理事长、中国科协先进材料学会联合体青年工作委员会副主任。

李威：武汉大学资源与环境科学学院特聘副研究员， 2016年博士毕业于华中科技大学材料科学与工程学院，毕业后在华中科技大学从事博士后研究，2019年12月正式加入武汉大学资源与环境科学学院，研究方向为绿色能源、环境材料和器件。目前主持国家自然科学青年基金等项目3项，以第一作者和通讯作者在Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials，ACS Nano , Energy Storage Materials，Advanced Science等国际著名期刊发表论文20篇，高被引论文2篇，授权中国发明专利5项。

【第一作者介绍】

王帆：男，武汉大学工学博士，浙江农林大学特设副教授。2021年12月获得武汉大学环境工程专业工学博士学位。次月于2022年1月进入浙江农林大学化学与材料工程学院任教，主要从事锂电硅基负极材料、固废资源化以及生物质衍生材料的研究。目前已在Nat. Commun.、ACS Nano、ACS Appl. Mater. Interfaces 、Carbon等杂志上发表SCI，收录论文8篇。

【课题组介绍】

http://rest.whu.edu.cn/