硅负极材料被认为是代替传统石墨负极材料的最有前景的材料，但是硅材料在具有高理论比容量的同时，也存在着巨大的缺陷：硅在锂离子的嵌入与脱出过程中存在着高达300%的体积膨胀，这会造成材料的SEI破裂、电极材料粉化脱落等不利现象，进而影响材料的循环寿命和倍率性能。将硅材料纳米化可有效减轻材料的粉化现象，但仍存在的体积膨胀会减少硅与导电网络之间的有效接触，同时也会破坏硅负极的SEI膜。因此，将复合材料应用在硅颗粒上形成一种二次结构成为阻碍硅的体积膨胀的有效手段，特别是硅–碳复合材料得到了广泛的应用。硅碳复合材料的具体要求是；首先是硅颗粒要均匀地分散在电极中并且粒子尺寸分布尽可能小，此外碳骨架要具有一定的孔隙率以保证硅颗粒在锂化脱锂过程中保持结构的稳定性。
本文章由华东理工大学的Donghai Long教授和加利佛尼亚大学的Juchen Guo教授合作发表在Angewandte Chemie上，该团队首次报道了一种硅碳复合材料的胶体合成路径。研究人员将经过表面功能化的硅纳米颗粒分散在苯乙烯和十六烷中，苯乙烯和十六烷可作为一种水–油乳剂分散相。在经过聚合反应和随后的碳化过程后，可产生一种SiNPs@C的核壳双壳层结构。作为锂离子电池负极材料，SiNPs@C复合材料展现出了优异的循环稳定性和倍率性能。其面积负载量可达到3mg/cm2，在1C倍率下循环200圈后比容量可达到600mAh/g左右。
图1. a) SiNPs@CPS复合材料的TEM图像，右下角为示意图
b) SiNPs@CPS复合材料的TEM暗场图像和EDX元素分布图
图2. a)SiNPs@CPS复合材料在不同倍率下的循环稳定性曲线和库伦效率曲线
b) SiNPs@CPS复合材料在0.1C下相应圈数的充放电曲线，插图为首圈的充放电曲线
图3. a) SiNPs@CHD复合材料的TEM图像，右下角插图为示意图
b) SiNPs@CHD复合材料的TEM暗场图和EDX元素分布图
图4. a) SiNPs@CHD复合材料在不同倍率下的循环稳定性和库伦效率
b) SiNPs@CHD复合材料在0.1C下相应圈数的充放电曲线，插图为首圈的充放电曲线
图5. a) SiNPs@CHD复合材料在经过CVD包覆C后的SEM图像
b) 石墨和碳包覆的SiNPs@CHD复合材料的电极极片的截面SEM图
c) 石墨-SiNPs@CHD复合负极在250mA/g和500mA/g下的循环稳定性和库伦效率曲线
d) 石墨-SiNPs@CHD复合负极在250mA/g下相应圈数的充放电曲线
该团队发展出了一种独特的胶体合成路线来合成SiNPs@C复合材料，在硅纳米颗粒表面引入长链*能官**团可有效增加其在有机溶剂中的分散性，从而促使了硅纳米颗粒在油–水系分散乳剂中的溶解。乳液中RF树脂的溶胶–凝胶聚合反应可以对分散相中的硅纳米颗粒进行包覆，在经过碳化后便得到了SiNPs@C复合材料。使用不同的碳源，进一步研究了复合材料的性能。该工作对硅负极材料的包覆、改性等研究有重要的指导意义，为硅碳复合材料的结构设计提供了新思路。
该工作发表在Angewandte Chemie上。