粗糙度诱导气泡覆盖差异对镍电极析氢反应能效的影响研究

本文创新性地构建了表面空腔结构氮掺杂碳层（N-doped C）包覆硅复合材料（e-Si/G@NC），通过高温碳化-碱刻蚀双重工艺有效缓解硅负极的体积膨胀（300%），提升锂离子传输效率。该设计使电极在0.2 A g?1下循环250次后仍保持1048 mAh g?1的高容量，并通过COMSOL模拟验证碳层对应力分散和温度调控的作用，为高性能硅基负极开发提供新策略。

　　

Highlight

本研究通过葡萄糖和三聚氰胺碳化结合碱刻蚀，成功制备了具有表面空腔结构的氮掺杂碳层（N-doped C）包覆硅基负极（e-Si/G@NC）。氮掺杂碳层不仅维持了硅的结构完整性，还避免了固体电解质界面（SEI）的反复生成和电接触丧失。此外，通过简单碱刻蚀在硅表面构建的明确空腔，为体积膨胀提供了缓冲空间，协同提升了电极性能。

材料制备

e-Si/G@NC复合材料的合成采用球磨、元素掺杂和刻蚀三步法：首先在氩气氛围中将硅粉与人造石墨以1:7比例球磨10小时形成Si/G复合物；随后通过葡萄糖和三聚氰胺高温碳化构建氮掺杂碳层；最后用NaOH刻蚀在硅表面引入多孔结构。

物理性质分析

图1展示了e-Si/G@NC的合成过程示意图。球磨工艺使硅和石墨形成纳米级复合界面，显著增强表面活性。氮掺杂碳层（XPS显示N含量达8.7 at%）有效提高了材料导电性，而碱刻蚀产生的表面空腔使电极在3.0 A g^?1大电流下仍保持327.4 mAh g^?1的优异倍率性能。

COMSOL模拟验证

通过多物理场耦合模拟发现，碳涂层能优化硅在嵌锂/脱锂过程中的应力分布，将局部最大应力降低62%，同时使表面温度波动减少45%。这种双重保护机制显著延缓了电极结构劣化。

电化学性能

e-Si/G@NC在0.2 A g^?1经过250次循环后放电容量保持1048 mAh g^?1，2.0 A g^?1下循环1000次仍有402 mAh g^?1。其薄而致密的SEI膜（TEM显示厚度~15 nm）是长循环稳定性的关键。

Conclusion

该工作通过内外协同改性策略，为开发高能量密度、长寿命的硅基负极提供了新思路，特别适用于需要快速充放电的电动汽车动力电池领域。