近日，韩国庆熙大学的Kap-Seung Yang研究员、Min-Sik Park研究员等人在《Carbon》上发表了题为“Facile synthesis of nano-si/graphite-carbon anode through microwave-induced carbothermal shock for lithium-ion batteries”的论文，提出了一种基于微波诱导碳热冲击技术的纳米硅/石墨-碳复合负极材料（n-Si@G-C）的简便合成方法，通过将纳米硅颗粒嵌入石墨并包覆无定形碳壳，以提升锂离子电池的能量密度和快充性能。
【研究背景】
1.锂离子电池的需求增长：随着电动汽车市场的扩展，锂离子电池的能量密度和循环寿命需求增加，推动了对高效电池材料的研究。
2.硅基复合材料的潜力与挑战：硅基复合材料具有高理论容量（3580 mAh·g⁻¹）和丰富的储量，成为替代传统碳基负极材料（如石墨）的热门候选。然而，硅在合金化-去合金化过程中会发生显著的体积膨胀（约300%），导致材料结构退化和固体电解质界面膜（SEI）的不稳定。
3.解决方案探索：研究者尝试将纳米硅颗粒（n-Si）分散于导电基质中，以缓解体积变化，并保持电导性。然而，纳米硅的生产过程复杂且成本高，因此需要开发简便且具有成本效益的合成方法。
【研究方法】
1.微波诱导碳热冲击技术：研究人员通过微波诱导的碳热冲击，使微米级硅颗粒（m-Si）断裂为纳米级硅颗粒，并将其与石墨材料结合。
2.无定形碳壳的引入：在纳米硅颗粒表面使用煤焦油沥青形成一层无定形碳壳，该碳壳有助于防止硅颗粒与电解质的直接接触，并为材料提供导电通道。
3.材料表征和电化学测试：使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）等技术表征复合材料的形貌，并通过电化学阻抗谱（EIS）测试其电化学性能。
【研究结果】
1.电化学性能优异：在半电池和全电池测试中，n-Si@G-C复合材料表现出卓越的性能。其在0.05C倍率下具有500.8 mAh·g⁻¹的可逆容量，充电300次后保持71.3%的容量。
2.SEI膜稳定性和电导性增强：无定形碳壳的引入有效抑制了SEI膜的不稳定生长，并改善了材料的导电性能。
3.快充能力显著：在全电池测试中，n-Si@G-C负极表现出优异的快充能力，80%电荷状态（SOC）的充电时间缩短至10.1分钟。
【展望】
1.经济高效的合成方法：本研究提出了一种碳热冲击与微波诱导相结合的简便、可扩展且经济有效的合成方法。
2.未来应用前景：随着该技术的进一步优化，n-Si@G-C负极材料有望广泛应用于高能量密度和快速充电的锂离子电池，为电动汽车和储能设备的发展提供材料支持。
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