ZnO包覆硅氧化物纳米阳极协同增强锂离子电池循环与热稳定性研究

本研究创新性地采用ZnO包覆多孔SiO微球（MS-ZnO）策略，显著提升锂离子电池（LIBs）阳极性能。通过内部孔隙缓冲体积应变（膨胀率降至32.4% vs 未修饰SiO的94.8%）和ZnO外壳提供机械稳定性，实现978.65 mAh g?1的高可逆容量（500次循环后为未修饰SiO的2倍），并在90°C高温下保持~75%库伦效率。全电池测试中与LiFePO4配对展现83.5%容量保持率，为高安全性能LIBs开发提供新思路。

　　

材料设计与表征

通过溶胶-凝胶烧结法在硅氧化物微球（MS）表面构建ZnO包覆层（M-Z），氮气吸附测试显示其比表面积达310.7635 m² g^?1（未修饰P-M材料为65.8787 m² g^?1）。透射电镜证实25 nm厚ZnO壳层均匀包覆，XRD显示（100）、（101）晶面稳定存在。热重分析表明ZnO含量约49%，拉曼光谱449 cm^?1处Zn-O键特征峰与712 cm^?1处Si-O-Si峰共存，证实复合结构成功构建。

电化学性能突破

半电池测试中M-Z电极首次库伦效率达81.2%，在200 mA g^?1电流密度下循环500次后容量保持978.65 mAh g^?1，是P-M电极的2倍。全电池（配LiFePO₄正极）在0.2C倍率下100次循环后容量保持率83.5%，1C倍率下仍保持75.2%。电化学阻抗谱显示M-Z电荷转移电阻（R_ct）显著降低，恒电流间歇滴定技术（GITT）证实其Li⁺扩散系数优于P-M电极。

高温稳定性机制

90°C高温环境下M-Z电极库伦效率保持~75%（P-M仅32%），热成像显示150°C时电极表面温度比P-M低20°C。原位XRD证实ZnO晶格在300°C内保持稳定，分子动力学模拟显示ZnO与SiO界面结合能达1.68×10⁹ kcal mol^?1。燃烧实验表明ZnO包覆使SiO氧化反应速率降低3倍，电极厚度膨胀率控制在32.4%（P-M达95.6%）。

界面化学调控

XPS深度剖析发现M-Z电极SEI膜中LiF含量占比提升至82%，Li_xPF_y分解产物减少60%。原子力显微镜显示其SEI粗糙度降低47%，理论计算证实ZnO使锂离子脱溶剂化能垒从9456.8 kcal mol^?1降至2571.7 kcal mol^?1。TG-FTIR联用检测到Zn-O键断裂产生的自由基可有效抑制电解质挥发。

应用验证

6.4 mg cm^?2高载量软包电池实测显示，在130°C热滥用测试中电压波动小于5%，可为智能手机持续供电。分子模拟（MS软件）表明ZnO修饰使SiO均方位移降低64%，DMol3模块计算证实其扩散激活能达2.19×10^?5 Ha（P-M为7.12×10^?4 Ha），对应最高耐受温度提升至1098K。