贵州大学硅豆腐的Si氮掺杂碳复合材料

成果简介

使用Si/氮掺杂碳复合材料是提高锂离子电池（LIBs）硅负极材料性能的有效手段，但此类材料的大规模开发受到其高成本和挑战性工艺的限制。本文，贵州大学XuejiaoXu等研究人员在《ACSSustainableChem.Eng.》期刊发表名为：“Silicon

NaturalNitrogen-DopedBiomassCarbonCompositesDerivedfrom“SiliconTofu”asGreenandEfficientAnodeMaterialsforLithium-IonBatteries”的论文，研究提出出了一种绿色且可扩展的方法，以低成本生物质大豆作为天然碳源和氮源合成Si

天然氮掺杂生物质碳（Si

NN-BC)。与目前大多数用于合成掺氮碳涂层的方法不同，这种方法巧妙地将冻豆腐的传统制备方法应用于硅材料，制造出前所未有的“硅豆腐”。能够在厨房中生产高效稳定的LIB是多么有意义。SiNPs被均匀地包裹在豆腐凝胶基质中以形成硅豆腐。热退火后，豆腐中交织的蛋白质转化为氮掺杂的碳网络，以保护内部的硅纳米颗粒。氮掺杂可以为Li+的吸附提供更多的活性位点，并通过加速离子/电子扩散来提高电极的电导率。此外，Si

NN-BC复合材料既继承了豆腐高孔隙率的优点，又表现出低堆积密度，可有效缓解硅在充放电过程中引起的体积效应，保证SEI的稳定性。基于这些优势，优化后的Si

NN-BC材料作为锂离子电池负极活性材料具有非凡的电化学性能；在次循环后，在1Ag–1时仍保持.6mAhg–1的高比容量。此外，整个制备过程是环保和可持续的。这项研究为LIB的绿色高效负极材料提供了一种简单、清洁和可扩展的解决方案。

图文导读

方案1.由硅豆腐衍生的Si

NN-BC复合材料的示意图合成

图1.(a)SiNPs、(b)NN-BC、(c)Si

NN-BC-25和(d)Si/NN-BC-25的SEM图像。

图2.TEM图像(a)、HRTEM图像(b)和STEM图像以及Si

NN-BC-25复合材料选定区域(c)的相应元素映射（Si、C和N）。Si

NN-BC-25和NN-BC复合材料的孔径分布(d)和不同孔径间隔(e)的孔体积，由压汞法测得。

图3.(a)Si

NN-BC-25、Si/NN-BC-25和NN-BC的XRD谱。(b)SiNPs和Si

NN-BC-25的拉曼光谱。(c–f)Si

NN-BC-25的XPS光谱和相应的高分辨率光谱图（Si2p、C1s和N1s）。

图4.(a)Si

NN-BC-25前五个循环的CV曲线。插图：所选区域的放大视图。(b)SiNPs、NN-BC、Si

NN-BC-10、Si

NN-BC-25、Si

NN-BC-50和Si/NN-BC-25在电流密度为1Ag–1(c)SiNPs、Si

NN-BC-25和Si/NN-BC-25的EIS曲线。插图：等效电路图。(d)Si

NN-BC-25和Si/NN-BC-25复合材料在不同电流密度下的倍率性能。

图5.Si

NN-BC-25在0.2到0.5mVs–1的各种扫描速率下的(a)CV曲线和(b)log(i)/log(v)图。(c)Si

NN-BC-25电极在0.2到0.5mVs–1的各种扫描速率下的电容控制和扩散控制过程。(d)Si

NN-BC-25阳极在不同扫描速率（0.2、0.3、0.4和0.5mVs–1）下的容量贡献。

图6.(a,c,e)Si

NN-BC-25和(b,d,f)SiNP电极在初始状态和次循环后处于完全锂化状态的SEM图像。

小结

综上所述，我们成功且完美地将豆腐与硅结合制备了Si

NN-BC-25具有优异电化学性能的复合材料。作者认为本文所报道的研究方案具有简单的制备工艺、优异的电化学性能和合适的总体趋势，可为硅负极材料的规模化生产提供新的途径。

文献：

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