一种新的锂电池负极材料——硅烯

    锂离子电池是最常用的储能装置，由于具有便于携带、环境友好和高能量密度等特点，广泛应用于智能手机、笔记本电脑以及电动车中。最常用的负极材料是石墨，其层间的范德华力确保该材料在充放电过程中的稳定性以及循环使用寿命。但由于晶格常数较小限制了锂离子能够插层的位置，容量值低。寻找一种具有高容量以及循环稳定性的材料是当下锂离子电池研究的热点。

    硅烯是一种具有蜂窝状结构的层状硅材料，可通过分子束外延以及固相反应的方法制备得到。由于在硅烯中，硅原子间的键长要比石墨烯中碳原子间的键长大许多，所以硅烯中层间原子排列具有曲翘的排列结构。相比于传统金刚石结构的硅材料，硅烯的层间耦合作用是范德华力，层与层之间提供了可供锂离子插入的空间，确保在充放电过程中硅烯的结构不被破坏，从而避免了传统硅电极材料在充放电过程中电极体积膨胀的问题。利用硅烯制作的负极材料的稳定性和循环次数都可以得到很大的提高，相比于石墨，多层硅烯的晶格常数更大，其理论容量可以达到石墨的三倍左右。

    最近，澳大利亚伍伦贡大学杜轶课题组通过分子束外延的方法制备了单层/多层硅烯样品，并用扫描隧道显微镜详细地研究了硅烯的原子和电子结构。研究结果清楚地显示了硅烯的ABA?结构。通过角分辨光电子能谱仪确定了硅烯的狄拉克费米子特性，这一研究表明硅烯中的电子具有极快的传输速度，解决了传统硅材料中导电性差的问题。另外，研究还表明硅烯在大气下的稳定性远高于传统硅材料，其结构和电子性能均得以保持。这一成果近期发表在Advanced Materials [1]和ACS Central Science [2]上。文章的第一作者是伍伦贡大学的庄金呈博士和李志博士。

    另外，利用固相法制备的硅烯中硅原子和钙原子交替排列形成层状结构，通过局部化学插层的方法把钙移除，进而得到独立无衬底的硅烯。利用这种化学法制备的硅烯作为锂电池的阴极，同时具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循环特性等优点，成为一种非常有潜力的锂离子电池负极材料。