隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料層出不窮，碳納米管 (CNT)，納米碳纖維 (CNF) 等材料紛紛應(yīng)用在鋰離子電池上，用以改善鋰離子電池的性能。最近石墨烯材料更讓鋰離子電池成為輿論的焦點(diǎn)，雖然最終都證明這些頂著石墨烯名頭的鋰離子電池只不過(guò)是各路媒體炒作，但也使人們開始關(guān)注新興材料在鋰離子電池上應(yīng)用的可能性。那么我們?cè)賻Т蠹伊私庖环N新材料——硅烯。

所謂硅烯是由單層 Si 原子組成的納米片，具有與石墨烯類似的結(jié)構(gòu)，與石墨烯不同的是該材料可以直接用作鋰離子電池的負(fù)極材料，而不僅僅是作為添加劑，目前該項(xiàng)研究成果由伍倫貢大學(xué)的 Jincheng Zhuang 等人聯(lián)合發(fā)表在了最新一期的 《Advanced Material》 雜志上。硅烯材料由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使得其能夠?yàn)?Li+ 遷移提供足夠的空間和通道，從而抑制了嵌鋰/脫鋰過(guò)程中硅烯材料的形變。Jincheng Zhuang 的研究顯示，硅烯作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)比容量可達(dá) 954mAh/g，雖然不如晶體 Si 材料，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于傳統(tǒng)的石墨材料 (372mAh/g)，硅烯材料層之間較大的空間，較高的吸附能和較低的 Li+ 擴(kuò)散壁壘，都使得硅烯成為高比能、長(zhǎng)壽命鋰離子電池理想的負(fù)極材料。

實(shí)驗(yàn)中 Jincheng Zhuang 采用的分子束外延法 (MBE) 和固相反應(yīng)法合成了硅烯材料，詳細(xì)的合成過(guò)程我們就不做介紹了。下圖是 Jincheng Zhuang 合成的硅烯材料的 STM 圖像，從圖上我們可以看到蜂窩狀的硅烯材料呈現(xiàn)出′結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)模式中，6 個(gè) Si 原子并不處在同一個(gè)平面上，其中兩個(gè)原子向上彎曲，一個(gè)原子向下彎曲，呈現(xiàn) ABA ——結(jié)構(gòu)。同時(shí)在′結(jié)構(gòu)中的無(wú)質(zhì)量載流子也能夠極大的提高硅烯材料的導(dǎo)電性，從而克服了長(zhǎng)期以來(lái)困擾 Si 負(fù)極材料導(dǎo)電性不好的難題，Si 烯的采用可以極大的提高硅負(fù)極電池大電流充放電的能力。

在硅烯材料的穩(wěn)定性研究中發(fā)現(xiàn)，不同于單層硅烯材料，多層硅烯材料，無(wú)論是在純氧氣還是空氣中都十分穩(wěn)定，不易與氧氣發(fā)生反應(yīng)。多層硅烯材料具有較大的比表面積可以顯著的降低Li擴(kuò)散的距離，層間較大的空間也能夠很好的緩沖嵌鋰過(guò)程造成的體積變化，因此是一種非常理想的負(fù)極材料。

硅烯材料的嵌鋰特性在合成硅烯之前就已經(jīng)通過(guò)軟件進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如下圖所示，Li 原子懸浮于 Si 原子的上方，周圍有三個(gè)距離最近的 Si 原子與其結(jié)合，隨著嵌鋰的數(shù)量的增加，Li 原子嵌入位置稍有偏移，最右側(cè)的 Li0.5Si0.5 則被當(dāng)作是硅烯材料的完全嵌鋰狀態(tài)。理論分析表明，硅烯材料的理論比容量在 954mAh/g 左右，完全嵌鋰體積膨脹不超過(guò) 25%，并且 Li+ 在硅烯內(nèi)部的擴(kuò)散能量壁壘很小，這些特性都使得硅烯材料成為一種合適鋰離子電池負(fù)極材料。

多層硅烯的合成方法如下圖所示，Jincheng Zhuang 采用局部反應(yīng)法合成了三種多層硅烯材料，分別是完全氧化硅烯、部分氧化硅烯和非氧化硅烯，其中非氧化硅烯材料在做為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)展現(xiàn)出了最好的庫(kù)倫效率和循環(huán)性能。同時(shí)硅烯材料良好的導(dǎo)電性和較低的 Li+ 擴(kuò)散能量壁壘使得硅烯材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能。由于目前局部反應(yīng)法制備的硅烯材料含有少量的氧原子，因此還可以通過(guò)進(jìn)一步提高硅烯材料的純度來(lái)改善硅烯材料的循環(huán)性能。

硅烯材料是近年來(lái)新興的一種二維材料，相比于傳統(tǒng)的晶體 Si，硅烯材料具有許多獨(dú)有的屬性，例如良好的導(dǎo)電性，以及嵌鋰時(shí)較小的體積膨脹，都使得 Si 烯材料成為一種非常具有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。隨著硅烯材料研究的不斷深入，又將開辟鋰離子電池負(fù)極材料市場(chǎng)的一片藍(lán)海。