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澳大利亞大學研制新型大容量硅烯負極材料

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瀏覽:- 發布日期:2017-06-01 20:00:00【

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最近,澳大利亞伍倫貢大學杜軼課題組通過分子束外延的方法制備了單層/多層硅烯樣品,并用掃描隧道顯微鏡詳細地研究了硅烯的原子和電子結構。

硅烯是一種具有蜂窩狀結構的層狀硅材料,可通過分子束外延以及固相反應的方法制備得到。由于在硅烯中,硅原子間的鍵長要比石墨烯中碳原子間的鍵長大許多,所以硅烯中層間原子排列具有曲翹的排列結構。相比于傳統金剛石結構的硅材料,硅烯的層間耦合作用是范德華力,層與層之間提供了可供鋰離子插入的空間,確保在充放電過程中硅烯的結構不被破壞,從而避免了傳統硅電極材料在充放電過程中電極體積膨脹的問題。利用硅烯制作的負極材料的穩定性和循環次數都可以得到很大的提高,相比于石墨,多層硅烯的晶格常數更大,其理論容量可以達到石墨的三倍左右。

硅烯具有蜂窩狀結構的層狀結構

圖1 硅烯具有蜂窩狀結構的層狀結構

研究結果清楚地顯示了硅烯的ABA?結構。通過角分辨光電子能譜儀確定了硅烯的狄拉克費米子特性,這一研究表明硅烯中的電子具有極快的傳輸速度,解決了傳統硅材料中導電性差的問題。另外,研究還表明硅烯在大氣下的穩定性遠高于傳統硅材料,其結構和電子性能均得以保持。這一成果近期發表在Advanced Materials 和ACS Central Science 上。文章的第一作者是伍倫貢大學的莊金呈博士和李志博士。

利用固相法制備的硅烯中硅原子和鈣原子交替排列形成層狀結構,通過局部化學插層的方法把鈣移除,進而得到獨立無襯底的硅烯。利用這種化學法制備的硅烯作為鋰電池的陰極,同時具有硅基材料的高容量和石墨材料的良好循環特性等優點,成為一種非常有潛力的鋰離子電池負極材料。

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