近日，物理與材料科學學院教師張波研究員在Chemical Engineering Journal上發表論文“Improving electrochemical performance of silicon-carbon anode for lithium-ion batteries via one-step etching”，該文章采用 HF 溶液對 Si/C 復合材料進行一步刻蝕處理，實現了對納米硅顆粒的精準刻蝕。經一步刻蝕后減小了 Si/C 復合材料中硅納米顆粒的粒徑，并且去除了石墨表面復合不均勻的硅顆粒，使其電化學性能得到了明顯改善。
隨著電動汽車（EVs）的快速發展，市場對鋰離子電池能量密度提出了更高要求，
從而推動了新一代高容量負極材料的研發進程。石墨的理論比容量僅為372 mAh g-1，難以滿足下一代高能量密度儲能系統的需求。在此背景下，硅因其儲量豐富、對環境無危害、比容量大 (4200 mAh g-1) 等優點引起了人們的廣泛關注和研究。但是硅基材料在電化學循環過程中產生巨大的體積膨脹會導致顆粒破碎、活性物質的粉化以及從集流體上脫落，從而降低循環性能。納米化可以抑制硅的體積膨脹，但目前工業方法很難將納米硅顆粒的尺寸進一步減小。
本研究通過使用納米硅 (43 nm) 制備 Si/C 復合材料，然后采用 HF 溶液對 Si/C 復合材料進行一步刻蝕處理，實現了對納米硅顆粒的精準刻蝕。經一步刻蝕后減小了 Si/C 復合材料中硅納米顆粒的粒徑，并且去除了石墨表面復合不均勻的硅顆粒，使其電化學性能得到了改善。
圖 1 復合材料的合成流程圖
刻蝕后的材料表現為更高的離子傳導率以及更低的電極膨脹率。經刻蝕后硅含量為 10.4% 的 Si/C 復合材料在 0.1 A·g-1 的電流密度下循環 100 次后仍保持 92.3% 的容量 (594.9 mAh g-1)，電極膨脹率僅為 17.4%。即使在 1 C 速率下，Si/C 電極也保持 538.7 mAh g-1的可逆容量。此外，Si/C 電極在 1 A·g-1 電流密度下循環 500 圈后具有 81.7% 的容量保持率，體現了卓越的長循環穩定性。更重要的是，Si/C 負極和 LiCoO2 正極組成的全電池能提供 373.7 Wh/kg 的高能量密度。
該工作近期被Chemical Engineering Journal接收發表。天津師范大學是唯一通訊單位，物理與材料科學學院材料工程專業研究生王懷民為論文第一作者，張波研究員和羅庇榮教授為通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164382
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