背景简介
硅是锂离子电池和后锂离子电池的有希望的负极材料，但在锂化和脱锂时会发生大量体积变化。由此产生的松散和界面结构的不稳定性严重地妨碍了性能并阻碍了实际使用。特别是在使用具有已知导电添加剂和粘合剂的常规电极配方时。同时，该电连接必须耐电池单体的电解质。高容量活性材料在充电和放电过程中不可避免地会发生较大的体积变化。
硅具有最高的理论重量（比重）容量，是商用石墨的十倍，但在锂化和脱锂时体积变化高达300％。如此大的体积变化会导致活性材料粉碎和电流中断，但也会形成动态界面。通过在活性材料和电解质之间引起不良的副反应，这种“动态接口”易于恶化或阻止材料的电接触。这继而将导致所谓的固体电解质中间相（SEI）层的传播和增厚，以及容量和循环寿命的急剧下降。
如何弥补硅作为负极材料的缺陷成为一个亟需解决的问题。
文章介绍
近日，国家纳米中心智林杰研究员、李祥龙研究员课题组在国际顶级期刊Nature Communications (影响因子：11.878) 上发表题为“Stable high-capacity and high-rate silicon-based lithium battery anodes upon two-dimensional covalent encapsulation”的研究工作。
该工作开发了一种名为二维共价封装的策略。二维共价键合的硅碳杂化物可作为新材料设计的概念支持。当涉及重量，体积和面积时，它们的高可逆性，容量和倍率能力提供了卓越的综合性能。
与现有策略不同，二维共价键可在硅与导电介质之间建立牢固而有效的接触，从而能够稳定，快速地将电子以及离子从硅传输到硅。界面形态和化学成分所显示，这种设计深刻地改变了硅与电解质之间的界面，从而确保了所形成的接触在循环时得以持久。结合简单，便捷和可扩展的制造工艺，这项研究为稳定硅而又不牺牲其他器件参数开辟了一条新途径。该结果对进一步合理改进和大规模生产先进的储能材料具有广阔的前景。
结论
总之，针对类皮肤电极共价封装硅电极的设计策略已得到发展，以解决其体积变化大的问题。当涉及重量，体积和面积时，二维共价键合的硅碳杂化物的显示出稳定的高容量和高倍率锂存储性能。这些出色的结果优于以前的研究成果。
与现有的电池制造技术明显不同，涉及的二维共价键合可在硅与导电介质之间建立牢固而有效的接触，从而实现稳定，快速的电子以及离子在硅之间的迁移。通过独特的界面形态和元素之间的结合模式的证明，这种封装严格地阻止了硅与电解质的直接接触，并改变了材料界面，使接触持续循环。结合具有成本效益的原材料和简单，便捷，可扩展的制造工艺，该研究开辟了一种新的可行途径，可以在不牺牲容量和速率能力等参数的情况下稳定硅。此外，此工作可以指导用于锂存储及其他领域的其他先进能源材料的合理设计和批量生产的策略。
