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  在眾多電池中，鋰離子電池因其環保性、高能量密度和長循環性能而成為最成熟的商用電池之一。然而，傳統石墨因其較差的容量（372 mAh g^-1）而成為下一代負極開發的主要障礙。SiO_x（0 < x < 2） 因其較低的成本和較弱的體積變化而受到青睞，并且具有可接受的容量（~2000 mAh g^-1）。第一次鋰化過程中形成的惰性組分（Li₄SiO₄和Li₂O）可以有效減弱體積膨脹。然而，低導電性和體積膨脹仍然難以忽視。此外，通過利用更高效的技術實現鋰離子的快速擴散和電子的有效傳輸仍然是一個巨大的挑戰。

  有鑒于此，河北工業大學化工學院張旭教授課題組在《Chem. Eng. J.》期刊上發表了題為“Bamboo-like SiO_x/C nanotubes with carbon coating as a durable and high-performance anode for lithium-ion battery”的文章。該工作通過聚合物納米管結合St?ber方法和聚合物涂層技術，開發并制造了一種新型竹子狀 SiO_x/C@C納米管結構（圖1）。這種仿生結構類似于竹子，在SiO_x/C中空納米管內部均勻連續地生長著擋板，并被薄薄的碳層包覆。“竹子”中空結構為SiO_x膨脹提供了自緩沖功能，并在周期性的鋰化-脫鋰過程中防止電解質直接接觸納米管內部，從而限制了SEI層的積累。碳殼為定向朝內膨脹提供了機械約束，同時實現了高電子轉移速率。此外，作為一維（1D）納米結構，NTs 具有高縱橫比，這縮短了鋰離子的傳輸長度并搭建了連續的電子傳輸通道（圖2）。設計的竹節狀結構具有較大的可逆容量（100 mA g^-1下200次循環后為702 mAh g^-1）和耐用的循環壽命（500 mA g^-1下 450 次循環后容量為 511 mAh g^-1）（圖3）。此外，作者通過建立示范模型來說明結構變化的機制，以描述這種竹狀結構的獨特性質，隨后的ex-suit掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡表征證明了這一結果（圖4）。這種竹子狀結構有望擴展到其他類型的儲能系統，例如全氣候電池、鋰硫電池和鈉離子電池。

圖1 SiO_x/C@C NTs的制備流程示意圖

圖2 （a）PDVB-SO₃H NTs、（b）vinyl-SiO₂/PDVB NTs、（c）vinyl-SiO₂/PDVB@RF NTs和（d）SiO_x/C@C NTs的SEM圖像，（e）SiO_x/C NTs在10 kV下的SEM圖像（插圖：竹子的照片），（f）SiO_x/C@C NTs的TEM圖像（插圖：竹子剖面照片），（g）HAADF-STEM圖像和相應的Si、O和C的元素映射

圖3 （a）SiO_x/C@C NTs在0.1 mV s^?1下初始三個循環的CV曲線，（b）SiO_x/C@C NTs在100 mA g^-1電流密度下不同循環下的充放電曲線，（c）SiO_x/C、SiO_x/C@C和C@C NTs在100 mA g^-1下的循環性能，（d）不同電流密度下的倍率性能，（e）在500 mA g^-1下的長期循環性能

圖4 （a）SiO_x/C和（d）SiO_x/C@C NTs在鋰化-脫鋰過程中結構變化的機制模型，（b）SiO_x/C和（e）SiO_x/C@C NTs電極在200次循環之前（左）和之后（右）的俯視SEM圖像，（c）SiO_x/C和（f）SiO_x/C@C NTs電極在200次循環之前（左）和之后（右）的橫截面SEM圖像

  該論文的第一作者為河北工業大學化工學院2021屆博士研究生王志遠，共同一作為2020屆博士研究生孔令勃，共同作者還包括2018屆本科生國澤雯和張鑫鈺，張旭教授和王小梅教授為本論文通訊作者，河北工業大學化工學院為唯一通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金以及河北省自然科學基金的支持。

  相關鏈接：Z. Wang, L. Kong, Z. Guo, X. Zhang, X. Wang, X. Zhang, Bamboo-like SiO_x/C nanotubes with carbon coating as a durable and high-performance anode for lithium-ion battery, Chemical Engineering Journal 428 (2022) 131060.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131060