深度解析碳氧化硅材料储钠过程中硅的氧化还原反应机理

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室温钠离子电池使用高丰度低成本的钠作为载流子，被认是理想的锂离子电池替代品，有望应用于大规模储能装置中。负极材料作为储钠关键材料，对钠离子电池领域的发展有至关重要的作用。追溯锂离子电池的发展历程，硅负极材料由于具有优异的理论比容量，成为了科研人员探索的热点。在硅基材料的储锂机理研究、性能优化等方面都涌现了系列出色的学术成果。因此，硅基材料也被视为潜在的储钠材料。然而对硅基材料的理论计算以及电化学储钠的尝试表明，硅的可逆储钠反应具有较高的能垒因而较难实现。尽管如此，研究发现纳米尺度的硅在室温下可以展现可逆储钠性能。因此，硅基负极材料在钠离子电池中并非不具备氧化还原活性，高性能硅基材料的设计以及其新奇储钠机制仍然有待发掘。

近日，乌尔姆亥姆霍兹研究所的Daniel Buchholz博士以及Stefano Passerini教授以碳氧化硅为目标材料，探索了硅基材料的储钠机理，并通过系列表征方法展示了硅在该材料储钠过程中可以发生以钠离子嵌入脱出为主导的氧化还原反应。作者首先将碳氧化硅材料中的硅进行了氢氟酸刻蚀，刻蚀前后的电化学性能对比表明，硅在该材料储钠过程中起到了不可忽视的作用。其次，作者对不同充放电深度下的电极材料进行了形貌表征。电极材料细微的体积变化排除了硅与钠发生合金化反应的可能性。最后，作者通过X射线光电子能谱以及核磁共振测试，展现出硅的储钠反应具有良好的可逆性，并指出其储钠机理为嵌入脱出机制。该工作为新奇储钠机制的探索提供了思路，并为钠离子电池硅负极材料的设计提供了新参考。

相关成果发表在Small Methods上（DOI: 10.1002/smtd.201800177）。