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黃維院士/李紹周EES：通過銅催化電化學(xué)-機(jī)械耦合工藝實(shí)現(xiàn)的硅酸電池

盡管硅在其電化學(xué)氧化過程中提供了出色的電荷存儲能力，但該過程在電池領(lǐng)域中的應(yīng)用從根本上受到其在表面形成鈍化氧化層傾向的阻礙。

在此，南京郵電大學(xué)黃維院士、李紹周教授等人報(bào)道了一種銅催化的電化學(xué)和機(jī)械耦合路線，以保持硅在酸性溶液中的反應(yīng)活性。選擇銅作為模型催化劑是因?yàn)樗梢越档凸柩趸幕罨?，作者通過在商業(yè)Si顆粒上涂覆金屬有機(jī)骨架 (MOF) 并在最終高溫處理之前將Cu離子負(fù)載到MOF殼中來獲得復(fù)合材料（表示為Cu-Si@C）。

不均勻分布的銅催化劑能促進(jìn)硅片上形成波狀氧化硅層，從而形成局部應(yīng)變。應(yīng)變將誘導(dǎo)形成高度缺陷的氧化層，從而促進(jìn)電解液向硅的傳輸。因此，催化反應(yīng)和缺陷氧化物結(jié)構(gòu)的結(jié)合導(dǎo)致了硅的自發(fā)和連續(xù)的電化學(xué)氧化。

圖1. Cu-Si@C復(fù)合材料的制備及表征

因此，作者研制出一種具有高能量密度、低電解液消耗的硅酸電池。以H₂SO₄為電解液的Cu-Si@C-MnO₂電池開路電壓（OCV）為1.65 V且在0.55 V下實(shí)現(xiàn)了~19 mW/cm²的峰值功率密度。在0.1 mA/cm²的電流密度和0.4 V的截止電壓下，電池的最大比電荷存儲容量為1.34 mAh/cm²，對應(yīng)的比能量密度為1339 Wh/kg。

此外，硅酸電池中硅電極的反應(yīng)不涉及電解液中溶質(zhì)的消耗，因此還具有抑制自放電和更長保質(zhì)期的優(yōu)良特性。本研究為保持硅的反應(yīng)性提供了一種途徑，從而拓寬了硅的電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域且對提高微電子器件的可靠性也具有指導(dǎo)意義。

圖2. 高能量密度的硅酸電池示范

Silicon Acid Batteries Enabled by a Copper Catalysed Electrochemo-Mechanical Coupled Process, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02620H

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