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鋰離子電池中電極的機(jī)械性能對其電化學(xué)性能有巨大影，尤其是對于硅基電極。在循環(huán)過程中，硅基電極會被粉碎并形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面。復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授、王永剛教授發(fā)表了一種在鎳內(nèi)核載體（Si@NixSi/Ni）上生長的薄硅包覆硅化鎳納米粒子作為鋰離子電池的負(fù)極材料。超薄納米硅層有助于實現(xiàn)合理的高能量密度，并因其高比容量和較短的鋰離子擴(kuò)散長度而能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鋰離子擴(kuò)散。

首先使用高能球磨研磨Ni和納米硅顆粒1小時，產(chǎn)生Ni– Si核殼結(jié)構(gòu)。然后，預(yù)活化的核-殼納米結(jié)構(gòu)在惰性Ar氣氛中在 800 C下退火4小時，使硅化鎳在Si-Ni界面之間生長。在硅化物形成過程中，鎳原子通過鎳/硅化物界面向外擴(kuò)散，而硅原子通過硅化物/硅界面向內(nèi)擴(kuò)散。

Si@NixSi/Ni 核的組成和形態(tài)-殼結(jié)構(gòu)受退火溫度和前體樣品摩爾比的顯著影響。樣品的容量保持率隨著 Si 摩爾比的增加而急劇下降。 Ni/Si 摩爾比為 1:0.5 的電極表現(xiàn)出最佳性能，具有合理更高的比容量和出色的穩(wěn)定性。與原始 Si 電極相比，Si@NixSi/Ni 核殼電極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。

夏永姚教授、王永剛教授使用簡單的兩步合成方法證明了Si@NixSi/Ni核殼電極作為鋰離子電池負(fù)極材料。在研究中發(fā)現(xiàn)， 呈現(xiàn)輻射分布的NixSi層，通過溫度引起的Si外擴(kuò)散和Ni內(nèi)擴(kuò)散在Si核和 Ni殼界面之間產(chǎn)生，以最小的體積膨脹實現(xiàn)相當(dāng)高的比容量。

Si@NixSi/Ni核殼電極在500 mA/g 的電流密度下表現(xiàn)出706.1 mAh/g的電荷比容量。是傳統(tǒng)的石墨陽極的兩倍。該結(jié)構(gòu)還顯示出 81.5% 的高第一循環(huán)庫侖效率。有趣的是，Si@NixSi/Ni 核殼電極在 500 mA/g的電流密度下循環(huán)壽命超過5000 次，容量保持率為74%

Si@NixSi/Ni核殼電極提供了相當(dāng)高的比容量和超長的循環(huán)壽命，其原因主要有以下三點(diǎn)：

① 由于其高比容量和縮短的鋰離子擴(kuò)散長度，超薄納米硅層提高了材料的能量密度并允許快速的鋰離子擴(kuò)散

② 梯度分布的 NixSi 層使我們能夠以最少的電極材料粉化獲得相當(dāng)高的比容量

③ Ni內(nèi)核提供機(jī)械支撐以在延長的鋰化/脫鋰過程中保持納米顆粒的結(jié)構(gòu)完整性

此文章原文為，Ultrathin Silicon Nanolayer Implanted NixSi/Ni Nanoparticles as Superlong-Cycle Lithium-Ion Anode Material，The ORCID identification number(s) for the author(s) of this article can be found under https://doi.org/10.1002/sstr.202000126.