1成果简介
　　硅（Si）基阳极因其卓越的理论容量而在下一代锂离子电池（LIB）中具有巨大潜力。然而，它们的实际应用却受到了阻碍，因为在循环过程中，体积会显著膨胀，电极/电解质界面不稳定，从而导致容量迅速下降。为了应对这些挑战，本文，四川大学张军华 教授、姜猛进 教授等在《ADVANCED ENERGY MATERIALS》期刊发表名为“Robust Nitrogen/Sulfur Co-Doped Carbon Frameworks as Multifunctional Coating Layer on Si Anodes Toward Superior Lithium Storage”的论文，研究设计了一种多孔氮/硫共掺杂碳层（CBPOD）来均匀封装硅，从而提供了一种多功能保护涂层。这一创新设计有效地钝化了电极/电解质界面，减轻了硅的体积膨胀。
　　N/S 共掺框架显著增强了电子和离子导电性。此外，碳化过程提高了 CBPOD 的弹性模量，并重建了 Si-CBPOD 界面，促进了牢固化学键的形成。这些特点共同促成了 Si-CBPOD 阳极的高性能，在 4 A g-1 的条件下循环 1000 次后，其可逆容量达到 1110.8 mAh g-1；在 0.2 C 条件下循环 300 次后，其能量密度达到 574 Wh kg-1，容量保持率超过 75.6%。这项研究强调了 CBPOD 保护层在提高硅阳极性能方面的巨大潜力，为开发具有优异体积能量密度和长期循环稳定性的复合材料提供了一条途径，从而推动了高性能 LIB 的发展。
　　2图文导读 

　　图1、a) Si-CBPOD 复合材料的制备过程示意图。b) 导电聚合物的化学和形态演变。

　　图2、a) BPOD 的热重分析。样品根据碳化温度（400 至 800 ℃）命名为 P0-P5。P0-P1: 失水；P1-P3：磺酸基裂解和噁二唑环开环断裂；P3-P5：去除一些杂原子。b) 傅立叶变换红外光谱显示的化学和结构演变。红色环线和虚线：磺酸盐振动；橙色环线和虚线：噁二唑环振动。OP1-OP3 代表有机结构的结晶峰。d) 拉曼光谱测量的石墨化程度。g,h)P0、P2 和 P3 的高分辨率 TEM 图像和衍射图样。） CBPOD 粉末在压力下的压实密度和电导率曲线。

　　图3、SEM images of a) pristine Si and b) Si-CBPOD. c) N2 adsorption/desorption isotherms of pristine Si and Si-CBPOD. d) Corresponding pore size distribution of pristine Si and Si-CBPOD. e–h) TEM images of Si-CBPOD at low and high resolutions show that the CBPOD layer homogeneously encapsulates the Si particles. i) STEM-EDS elemental mappings for Si-CBPOD.

　　图4、a) 原始 Si、BPOD、CBPOD、Si-BPOD 和 Si-CBPOD 的 XRD 图。b) 原始 Si、BPOD、CBPOD、Si-BPOD 和 Si-CBPOD 的拉曼光谱。d) 原始硅、Si-PAA、Si-BPOD 和 Si-CBPOD 的高分辨率 Si 2p XPS 光谱。e) Si-BPOD 和 Si-CBPOD 中形成的化学键的键能比较。f) 带有导电涂层和增强界面的硅阳极示意图。

　　图5、原始硅和硅CBPOD电极的电化学性能评估

　　图6、a) Si-CBPOD 电极在 0.2 至 2 mV s-1 不同扫描速率下的 CV 曲线。b) log(Ip) 与 log(ν) 之间的关系。c) 不同扫描速率下电容和扩散控制电荷存储的贡献率。g) Si-CBPOD 和原始硅的 EIS 变化。相应的电阻 h) 以及 Re(Z) 和 ω-1/2 i) 之间的关系。j) Si-CBPOD 的改性机制和 k) 在界面或电场中锂离子和电子转移路径的示意图。电极在 100 次循环后的 l) F 1s、m) O 1s 和 n) C 1s XPS 光谱。

　　图7、a) 原始 Si、b) Si-BPOD 和 c) Si-CBPOD 电极在循环 100 次前后的顶视和横截面 SEM 图像。d,e) 原始硅和 f,g) Si-CBPOD 电极在循环 100 次前后的三维原子力显微镜形态图像（5 × 5 µm）。
　　3小结
　　总之，我们开发出了一种多孔 N/S 共掺杂碳层来均匀封装硅，作为一种多功能保护涂层来稳定阳极。CBPOD 涂层不仅能钝化电极/电解质界面，还能有效缓解硅颗粒在充放电过程中的体积膨胀。分子间耦合的增强有利于形成扩展的有序区域，促进电子传输。N/S 共掺框架赋予了 CBPOD 丰富的活性位点和适当的孔隙率，从而改善了锂离子反应的动力学性能。高电子和离子导电性的协同效应显著提高了 Si-CBPOD 复合材料的速率能力。此外，碳化过程增强了 CBPOD 的弹性模量，并重建了硅和 CBPOD 之间的界面，形成了强化学键，从而加强了机械保护，促进了均匀的电荷转移，同时加速了离子穿梭。
　　因此，即使在4Ag-1 的半电池条件下，经过1000次循环后，Si-CBPOD 电极也能显示出1110.8mAh g-1 的高可逆容量；在0.2C条件下，经过 300 次循环后，全电池的能量密度达到了惊人的574Wh kg-1，高容量保持率超过 75.6%。这些性能指标超过了之前报道的大多数结果。这项研究为下一代电池制备具有高体积能量密度和长期循环稳定性的负极材料提供了启示。
　　文献: