硅烯，下一代硅负极材料？

前言

最近石墨烯材料更让锂离子电池成为舆论的焦点，虽然最终都证明这些顶着石墨烯名头的锂离子电池只不过是各路媒体炒作，但也使人们开始关注新兴材料在锂离子电池上应用的可能性。

随着锂离子电池技术的不断发展，各种新技术、新材料层出不穷，碳纳米管（CNT），纳米碳纤维（CNF）等材料纷纷应用在锂离子电池上，用以改善锂离子电池的性能。最近石墨烯材料更让锂离子电池成为舆论的焦点，虽然最终都证明这些顶着石墨烯名头的锂离子电池只不过是各路媒体炒作，但也使人们开始关注新兴材料在锂离子电池上应用的可能性，在前边的文章《石墨烯作为锂离子电池导电剂的优缺点分析》我们曾介绍过在LFP/C电池中使用石墨烯作为导电剂的优点和缺陷，表明石墨烯并是不“万能材料”，只有合理利用才能事半功倍。

既然我们已经介绍过了石墨烯，那么我们今天再带大家了解一种新材料——硅烯。所谓硅烯是由单层Si原子组成的纳米片，具有与石墨烯类似的结构，与石墨烯不同的是该材料可以直接用作锂离子电池的负极材料，而不仅仅是作为添加剂，目前该项研究成果由伍伦贡大学的Jincheng Zhuang等人联合发表在了最新一期的《AdvancedMaterial》杂志上。硅烯材料由于其独特的二维结构使得其能够为Li+迁移提供足够的空间和通道，从而抑制了嵌锂／脱锂过程中硅烯材料的形变。Jincheng Zhuang的研究显示，硅烯作为锂离子电池负极材料时比容量可达954mAh/g，虽然不如晶体Si材料，但是仍然远远的高于传统的石墨材料（372mAh/g），硅烯材料层之间较大的空间，较高的吸附能和较低的Li+扩散壁垒，都使得硅烯成为高比能、长寿命锂离子电池理想的负极材料。

实验中Jincheng Zhuang采用的分子束外延法（MBE）和固相反应法合成了硅烯材料，详细的合成过程我们就不做介绍了，感兴趣的朋友可以索要原文进行查看。下图是Jincheng Zhuang合成的硅烯材料的STM图像，从图上我们可以看到蜂窝状的硅烯材料呈现出´结构，在这种结构模式中，6个Si原子并不处在同一个平面上，其中两个原子向上弯曲，一个原子向下弯曲，呈现ABA结构。同时在´结构中的无质量载流子也能够极大的提高硅烯材料的导电性，从而克服了长期以来困扰Si负极材料导电性不好的难题，Si烯的采用可以极大的提高硅负极电池大电流充放电的能力。

在硅烯材料的稳定性研究中发现，不同于单层硅烯材料，多层硅烯材料，无论是在纯氧气还是空气中都十分稳定，不易与氧气发生反应。多层硅烯材料具有较大的比表面积可以显著的降低Li扩散的距离，层间较大的空间也能够很好的缓冲嵌锂过程造成的体积变化，因此是一种非常理想的负极材料。

硅烯材料的嵌锂特性在合成硅烯之前就已经通过软件进行了模拟，模拟结果如下图所示，Li原子悬浮于Si原子的上方，周围有三个距离最近的Si原子与其结合，随着嵌锂的数量的增加，Li原子嵌入位置稍有偏移，最右侧的Li0.5Si0.5则被当作是硅烯材料的完全嵌锂状态。理论分析表明，硅烯材料的理论比容量在954mAh/g左右，完全嵌锂体积膨胀不超过25%，并且Li+在硅烯内部的扩散能量壁垒很小，这些特性都使得硅烯材料成为一种合适锂离子电池负极材料。

多层硅烯的合成方法如下图所示，Jincheng Zhuang采用局部反应法合成了三种多层硅烯材料，分别是完全氧化硅烯、部分氧化硅烯和非氧化硅烯，其中非氧化硅烯材料在做为锂离子电池负极材料时展现出了最好的库伦效率和循环性能。同时硅烯材料良好的导电性和较低的Li+扩散能量壁垒使得硅烯材料展现出了优异的倍率性能。由于目前局部反应法制备的硅烯材料含有少量的氧原子，因此还可以通过进一步提高硅烯材料的纯度来改善硅烯材料的循环性能。

硅烯材料是近年来新兴的一种二维材料，相比于传统的晶体Si，硅烯材料具有许多独有的属性，例如良好的导电性，以及嵌锂时较小的体积膨胀，都使得Si烯材料成为一种非常具有潜力的锂离子电池负极材料。随着硅烯材料研究的不断深入，又将开辟锂离子电池负极材料市场的一片蓝海。