在众多电池中，锂离子电池因其环保性、高能量密度和长循环性能而成为最成熟的商用电池之一。然而，传统石墨因其较差的容量（372 mAh g^-1）而成为下一代负极开发的主要障碍。SiO_x（0 < x < 2） 因其较低的成本和较弱的体积变化而受到青睐，并且具有可接受的容量（~2000 mAh g^-1）。第一次锂化过程中形成的惰性组分（Li₄SiO₄和Li₂O）可以有效减弱体积膨胀。然而，低导电性和体积膨胀仍然难以忽视。此外，通过利用更高效的技术实现锂离子的快速扩散和电子的有效传输仍然是一个巨大的挑战。

  有鉴于此，河北工业大学化工学院张旭教授课题组在《Chem. Eng. J.》期刊上发表了题为“Bamboo-like SiO_x/C nanotubes with carbon coating as a durable and high-performance anode for lithium-ion battery”的文章。该工作通过聚合物纳米管结合St?ber方法和聚合物涂层技术，开发并制造了一种新型竹子状 SiO_x/C@C纳米管结构（图1）。这种仿生结构类似于竹子，在SiO_x/C中空纳米管内部均匀连续地生长着挡板，并被薄薄的碳层包覆。“竹子”中空结构为SiO_x膨胀提供了自缓冲功能，并在周期性的锂化-脱锂过程中防止电解质直接接触纳米管内部，从而限制了SEI层的积累。碳壳为定向朝内膨胀提供了机械约束，同时实现了高电子转移速率。此外，作为一维（1D）纳米结构，NTs 具有高纵横比，这缩短了锂离子的传输长度并搭建了连续的电子传输通道（图2）。设计的竹节状结构具有较大的可逆容量（100 mA g^-1下200次循环后为702 mAh g^-1）和耐用的循环寿命（500 mA g^-1下 450 次循环后容量为 511 mAh g^-1）（图3）。此外，作者通过建立示范模型来说明结构变化的机制，以描述这种竹状结构的独特性质，随后的ex-suit扫描电子显微镜与透射电子显微镜表征证明了这一结果（图4）。这种竹子状结构有望扩展到其他类型的储能系统，例如全气候电池、锂硫电池和钠离子电池。

图1 SiO_x/C@C NTs的制备流程示意图

图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图像，（e）SiO_x/C NTs在10 kV下的SEM图像（插图：竹子的照片），（f）SiO_x/C@C NTs的TEM图像（插图：竹子剖面照片），（g）HAADF-STEM图像和相应的Si、O和C的元素映射

图3 （a）SiO_x/C@C NTs在0.1 mV s^?1下初始三个循环的CV曲线，（b）SiO_x/C@C NTs在100 mA g^-1电流密度下不同循环下的充放电曲线，（c）SiO_x/C、SiO_x/C@C和C@C NTs在100 mA g^-1下的循环性能，（d）不同电流密度下的倍率性能，（e）在500 mA g^-1下的长期循环性能

图4 （a）SiO_x/C和（d）SiO_x/C@C NTs在锂化-脱锂过程中结构变化的机制模型，（b）SiO_x/C和（e）SiO_x/C@C NTs电极在200次循环之前（左）和之后（右）的俯视SEM图像，（c）SiO_x/C和（f）SiO_x/C@C NTs电极在200次循环之前（左）和之后（右）的横截面SEM图像

  该论文的第一作者为河北工业大学化工学院2021届博士研究生王志远，共同一作为2020届博士研究生孔令勃，共同作者还包括2018届本科生国泽雯和张鑫钰，张旭教授和王小梅教授为本论文通讯作者，河北工业大学化工学院为唯一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金以及河北省自然科学基金的支持。

  相关链接：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