在现代锂基电池中，合金负极材料具有显著提高体积和比储能能力的潜力。在过去的十年中，硅被视为这些材料中的“圣杯”；但是，严重的稳定性问题限制了其应用潜力。

基于此，挪威奥斯陆大学Alexey Y. Koposov，挪威能源技术研究所Asbjørn Ulvestad报道了提出了非晶态亚化学计量硅氮化物（SiNx）作为一种转换型负极材料，其可以克服与普通合金材料有关的稳定性问题。

文章要点

1）这种材料可以以具有化学成分和颗粒大小无缝调节的纳米颗粒的形式来合成，因此可以直接通过传统的浆料工艺用于制备锂离子电池的负极材料。

2）研究发现，SiN_x材料能够提供高容量，这是由纳米颗粒的初始化学成分所控制。同时表现出出色的循环稳定性，可以在很大程度上保持纳米颗粒和完整电极的结构完整性，从而在1000次充放电循环中实现了稳定的电化学性能。

3）研究发现，SiN_x材料出色的稳定性源于原位转化反应，研究人员通过循环SiN_x纳米颗粒的对分布函数分析，清晰揭示了SiN_x在初始锂化过程中形成了活性硅畴和稳定的Li₂SiN₂相。

4）事后的FIB-SEM和TEM分析表明，SiN_x材料的异常循环稳定性源于以下两个主要性能：i）由原位转化反应产生的电化学循环过程中材料在颗粒水平上的稳定性。这导致了非活性基体的形成，限制了Si活性部分的粉碎和破裂，同时提供了高的颗粒内Li⁺电导率；ii）稳定的材料表面，使得形成一个坚固的SEI层的内在表面积，从而实现了长循环。

综上所述，这些特性有效地缓解了硅基电极的两种主要降解机制——材料崩解和不可控的SEI生长。

参考文献

Asbjørn Ulvestad, et al, Stoichiometry-Controlled Reversible Lithiation Capacity in Nanostructured Silicon Nitrides Enabled by in Situ Conversion Reaction, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c06927

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06927