锂离子电池(LIBs)作为现代生活中不可或缺的一部分，已被广泛应用于便携式设备、电动车及电网储能等领域。其中，负极材料的性能对LIBs的整体表现有着重大影响。硅(Si)因其超高的理论容量和低操作电位而成为下一代高能LIBs最有前景的负极材料之一。然而，实际应用中Si负极面临着巨大的挑战，主要是由于其在循环过程中会发生约300%的体积膨胀，导致结构破坏和容量快速衰减。因此，含氧硅，特别是二氧化硅(SiO2)，作为一种替代材料受到关注，因为其在循环中的体积变化显著小于纯硅，约为100%。此外，SiO2的锂化过程会形成如Li2O和Li4SiO4等惰性相，这些相可以作为缓冲层减轻体积变化，从而提高循环稳定性。尽管SiO2具有高达1965 mA·h/g的理论容量，但其低导电性和缓慢的反应动力学限制了其容量和倍率性能。此外，SiO2在循环期间仍然经历相当大的体积变化，可能导致机械退化和长期使用后的性能损失。

因此将SiO2与碳材料复合以形成SiO2/碳复合材料被广泛研究，旨在改善导电性和缓解体积膨胀，进而提升整体性能。然而直接在大块SiO2上涂覆一层碳被证明是无效的，因为SiO2的电化学活性高度依赖于颗粒尺寸，需要粒径小于7纳米才能确保最佳性能。在超小纳米尺寸SiO2上建立碳涂层是一种可行策略来增强其电化学性能，但此类复合材料中纳米尺寸SiO2的含量有限，往往导致容量、倍率性能和循环稳定性不佳。种改进性能背后的机制理解尚不完全，仍需进一步探讨。所以开发一种创新的负极设计，通过在高导电且坚固的碳框架内均匀嵌入高密度、超小尺寸的SiO2纳米颗粒，以实现容量、倍率性能和循环稳定性的大幅提升，对于高性能LIBs来说至关重要但充满挑战。

针对上述问题，厦门大学的研究团队利用威尼斯886699原位TEM进行了深入研究，他们提出了一种简单而有效的策略，通过将高密度、超小尺寸（约6纳米）的SiO2纳米颗粒均匀地结合在碳纳米片框架内（记作SiO2@CNS），解决了SiO2作为锂离子电池负极材料时遇到的导电性差和体积变化大等问题。相关成果以“Effective binding sufficiently-small SiO2 nanoparticles within carbon nanosheets framework enables a high-performing and durable anode for lithium-ion batteries”为题发表在《Journal of Materiomics》期刊上。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmat.2025.101053

在这项研究中，研究人员提出了一种创新的设计方案，通过将高密度、超小尺寸的SiO2纳米颗粒均匀嵌入到导电且机械坚固的碳纳米片（CNS）框架内，形成SiO2@CNS复合材料，旨在解决SiO2作为锂离子电池负极材料时面临的低导电性和显著体积变化的问题。这种设计不仅保证了高的电化学反应活性，而且由于碳纳米片基质的存在，加快了离子/电子传输速度，并缓冲了循环过程中的体积变化。结果显示，经过200次循环后，SiO2@CNS负极在0.1 A/g的电流密度下可提供607.3 mA·h/g的容量，在2 A/g的高电流密度下仍能保持407.4 mA·h/g的倍率性能，以及在1 A/g的电流密度下经过2000次循环后仍能保持93.1%的初始容量，表现出长期稳定性。

图  SiO2@CNS的合成与表征

研究还通过原位透射电镜观察和非原位微观及光谱分析揭示了SiO2@CNS在循环过程中经历了适度的体积膨胀和结构稳定性的增强，这得益于形成了坚固的固体电解质界面(SEI)，为其实现长久的电化学性能提供了支持。特别地，当与商用LiFePO4正极配对组装成全电池时，该电池表现出优异的倍率性能和稳定的循环性能，在5 C倍率下经过200次循环后仍能保持80.2%的容量。这些发现表明，SiO2@CNS作为一种高性能的负极材料，具有巨大的应用潜力。

图 SiO2@CNS锂化/脱锂过程的原位透射电镜观察

为了验证其电化学性能，研究人员详细探讨了SiO2@CNS的制备方法及其特性。通过溶液法合成SiO2@CNS，首先将还原氧化石墨烯(rGO)分散于乙醇、去离子水和氨水的混合溶液中，然后依次加入间苯二酚、甲醛和四丙氧基硅烷(TPOS)进行共缩聚反应，最终通过碳化得到SiO2@CNS。形态学表征显示，SiO2@CNS呈现出片状结构，表面光滑，含有丰富的纳米粒子，平均粒径约为6.1纳米。X射线光电子能谱(XPS)分析进一步揭示了SiO2@CNS表面形成的SEI层结构，有助于提高电化学稳定性。同时，热重分析(TG)确定了SiO2和碳的比例，其中碳含量占18.4%，证明了材料成分的合理分布。

研究最后通过一系列实验深入探讨了SiO2@CNS电极的电化学性能提升机制。包括恒电流间歇滴定技术(GITT)、电化学阻抗谱(EIS)和不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线分析，揭示了SiO2@CNS主要依赖扩散控制的储锂机制，以及较高的赝电容贡献，有利于改善反应动力学。另外，通过原位表征手段，如原位TEM观察，直接展示了SiO2@CNS在反复锂化/脱锂过程中的结构稳定性，即使经过多次循环，SiO2@CNS粒子的大小依然保持稳定，证实了其优异的结构稳定性，这项工作也为开发高效、耐用的基于SiO2的锂离子电池负极材料提供了重要参考。

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