由於具有高理論比容量（4200 mAh g-1），低成本和資源豐富等諸多特點，矽（Si）基資料被認為是最有希望的下一代鋰離子電池（LIB）負極資料。當前，矽基資料的商業應用仍受到一些嚴重的阻礙，包括電子電導率低、充放電過程中的巨大體積變化（> 300%）和不穩定的固態電解質中間相（SEI）。與純Si相比，矽氧化物（SiOx）具有體積膨脹/收縮小的優點，並且可以抑制不良電化學副反應，改善電化學迴圈穩定性。然而，尚缺乏簡單且溫和的方法來調控SiOx資料中的氧含量：氧含量過低不能保證有效抑制體積變化，而氧含量過高會導致容量嚴重降低，電壓曲線中的電壓遲滯較大。
近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心孫永明教授課題組報導了在溫和的水熱條件下，採用具有新鮮介面的矽（Si）顆粒與H20和O2反應，同步進行碳複合，製備了氧化矽-碳（SiOx/C）複合材料。普通Si顆粒表面緻密鈍化層（氧化層）結構阻礙了其與環境條件的反應，即使在200℃水熱條件下仍保持其成分和結構穩定。只有去除表面鈍化層後，具有新鮮表面的矽顆粒才能在溫和的水熱條件下發生可控氧化。均勻的氧化和碳基複合結構使所獲得的SiOx/C資料在電池電化學迴圈過程中在顆粒和電極尺度上保持長期結構和電化學性質穩定。所製備的SiOx/C複合材料在0.5 A g-1的電流密度下可提供1133 mAh g-1的高的可逆容量，在200次迴圈後具有89.1%的高容量保持率。在商用石墨中添加15 wt%SiOx/C複合材料後，石墨-SiOx/C混合電極顯示出496 mAh g-1的高可逆比容量。此外，石墨-SiOx/C混合電極表現出穩定的電化學迴圈，在100次迴圈後的容量保持率為90.1%。
圖1.（a）Si表面上的原始緻密鈍化層阻礙了其進一步氧化；（b）具有新鮮表面以及同步碳複合的Si的可控氧化步驟示意圖；（c）在水熱條件下具有新鮮表面的Si顆粒的可控氧化機理示意圖。
圖2.SiOx/C複合材料的電化學效能。（a）SiOx/C複合材料和初始Si在0.5 A g-1時的比容量-迴圈曲線；（b）SiOx/C電極的電壓-比容量曲線；（c）SiOx/C和初始Si電極的倍率效能圖；（d）SiOx/C電極在不同掃描速率下的CV曲線；（e）通過對SiOx/C電極的氧化還原峰進行logI和logV擬合線性模型確定b值；（f）相同面積容量（1 mAh cm-2）下，石墨-SiOx/C混合電極和純石墨電極的迴圈性能比較；（g）石墨-SiOx/C電極的電壓-比容量曲線。
2021年3月18日，國際資料領域頂級期刊《Nano Letters》線上刊發相關研究成果《Manipulating oxidation of silicon with fresh surface enabling stable battery anode》（論文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00317）。該研究工作第一完成單位為華中科技大學武漢光電國家研究中心，得到了國家重點研發計畫（2018YFB0905400）和湖北省科技廳重大技術創新項目（2019AAA164）的資助。
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