類石墨層包裹的硅納米球（Si@C）具有較高的比容量，但是在鋰化的過程中，硅球內部的機械應力會導致硅球急劇膨脹，破壞外部網狀包裹層，因此一直沒有得到廣泛應用。近日，PicoFemto?助力北京交通大學王熙教授、中科院過程所陳仕謀研究員在Si@NG基鋰離子電池負極材料的研究中取得新的發現，相關研究成果以《Stress-relieving defects enable ultra-stable silicon anode for Li-ion storage》為題發表在國際期刊《Nano Energy》（IF=15.46）上。

圖1. 原位實驗細節 

圖2. PicoFemto?原位電學樣品桿示意圖（JEOL或FEI電鏡兼容）

圖3. In situ TEM measurements of Si@NG and Si@G materials.（源自原文）

研究人員利用PicoFemto?原位電學樣品桿（TEM-STM holder）在透射電鏡中原位研究了Si@NG負極材料在鋰化過程中的結構穩定性，發現氮摻雜的碳層包裹在硅納米球上能有效緩解硅球在鋰化過程中的體積膨脹。他們仔細研究發現：碳層中N的均質摻雜使NG網絡中產生了分布均勻的"空穴"缺陷，充分保證了硅球在膨脹過程中的應力釋放。電池循環性能測試結果顯示，Si@NG表現出良好的循環穩定性（在2100 mA g^-1的電流密度下，100個循環后1321 mAh g^-1的比容量，保持率約96.6%）。此外，初始庫侖效率(ICE) 達到90.3%。結論：原位透射電鏡研究結合有限元分析表明，氮參雜的Carbon matrix能夠有效緩解硅球鋰化過程中體積膨脹產生的機械應力，使得內部的硅球保持完整，保證了Si@NG負極材料的循環穩定性和良好的倍率性能。該研究驗證了一種提高Si/C基電極材料電化學性能的可靠方法，為其在鋰離子電池（LIBs）中的實際應用鋪平了道路。

原文DOI鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104568

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