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一種新的鋰電池負極材料——硅烯

   2017-06-02 :中國光學期刊網22680
核心提示:最近,澳大利亞伍倫貢大學杜軼課題組通過分子束外延的方法制備了單層/多層硅烯樣品,并用掃描隧道顯微鏡詳細地研究了硅烯的原子和電子結構。
鋰離子電池是最常用的儲能裝置,由于具有便于攜帶、環(huán)境友好和高能量密度等特點,廣泛應用于智能手機、筆記本電腦以及電動車中。最常用的負極材料是石墨,其層間的范德華力確保該材料在充放電過程中的穩(wěn)定性以及循環(huán)使用壽命。但由于晶格常數較小限制了鋰離子能夠插層的位置,容量值低。尋找一種具有高容量以及循環(huán)穩(wěn)定性的材料是當下鋰離子電池研究的熱點。
 
硅烯是一種具有蜂窩狀結構的層狀硅材料,可通過分子束外延以及固相反應的方法制備得到。由于在硅烯中,硅原子間的鍵長要比石墨烯中碳原子間的鍵長大許多,所以硅烯中層間原子排列具有曲翹的排列結構。

相比于傳統(tǒng)金剛石結構的硅材料,硅烯的層間耦合作用是范德華力,層與層之間提供了可供鋰離子插入的空間,確保在充放電過程中硅烯的結構不被破壞,從而避免了傳統(tǒng)硅電極材料在充放電過程中電極體積膨脹的問題。利用硅烯制作的負極材料的穩(wěn)定性和循環(huán)次數都可以得到很大的提高,相比于石墨,多層硅烯的晶格常數更大,其理論容量可以達到石墨的三倍左右。
 
最近,澳大利亞伍倫貢大學杜軼課題組通過分子束外延的方法制備了單層/多層硅烯樣品,并用掃描隧道顯微鏡詳細地研究了硅烯的原子和電子結構。研究結果清楚地顯示了硅烯的ABA?結構。通過角分辨光電子能譜儀確定了硅烯的狄拉克費米子特性,這一研究表明硅烯中的電子具有極快的傳輸速度,解決了傳統(tǒng)硅材料中導電性差的問題。另外,研究還表明硅烯在大氣下的穩(wěn)定性遠高于傳統(tǒng)硅材料,其結構和電子性能均得以保持。這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials [1]和ACS Central Science [2]上。
 

硅烯蜂窩狀ABA原子結構

另外,利用固相法制備的硅烯中硅原子和鈣原子交替排列形成層狀結構,通過局部化學插層的方法把鈣移除,進而得到獨立無襯底的硅烯。利用這種化學法制備的硅烯作為鋰電池的陰極,同時具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循環(huán)特性等優(yōu)點,成為一種非常有潛力的鋰離子電池負極材料。

固相反應法和化學法制備硅烯

 
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