硅具有较高的理论容量（3579 mAh g^-1），较低的放电电压（＜0.5 V）和丰富的天然储量，被认为是下一代锂离子电池中最有潜力的负极材料。然而，在锂离子嵌入和脱出过程中，硅发生巨大的体积变化导致电极膨胀和粉化问题，这些问题严重制约其商业化应用。一维纳米结构硅不仅可以缓解硅在锂离子脱嵌过程中体积膨胀造成的电极粉化和破裂，还能维持活性材料与集流体之间良好的电子接触。一维硅的制备通常采用有毒且昂贵的硅前驱体，如硅烷或二苯基硅烷，且合成步骤复杂，严重阻碍硅基锂离子电池阳极的商业化进程。因此，开发一种简易、成本低廉和可规模化的高性能硅基阳极合成方法是非常重要且极具挑战性。

近日，南京林业大学王洁副教授和左宋林教授团队基于一维生物质细菌纤维素成功制备了一种高性能锂离子电池用一维硅基纳米棒阳极。该硅基纳米棒合成路径如下：SiO₂凭借细菌纤维素表面丰富的羟基实现在细菌纤维素表面均匀地原位生长；有趣地是，高温热解后碳化细菌纤维素出现自组装平行排列现象，给SiO₂粒子提供强支撑；引入CO₂气体改进传统镁热还原方法最终获得以碳化细菌纤维素骨架作为结构支撑的高度稳定的一维多孔硅碳纳米棒复合物。此外，利用引入CO₂气体改进传统镁热还原方法优势在于氧化性CO₂气体同步转化成无定形碳实现硅基纳米棒的碳封装，且降低硅基复合材料中非活性SiC的含量。细菌纤维素衍生碳强大的结构支撑和二氧化碳原位生成无定形碳的封装赋予硅碳纳米棒高机械强度、一维多孔性、高稳定性和良好的电子导电性，以适应硅颗粒在脱嵌锂过程中的应力和体积变化，从而改善倍率性能和循环稳定性。该方法制备的硅基纳米棒阳极在0.1和0.5 A g^-1的电流密度下，放电可逆容量分别为880和673 mAh g^-1。

这个工作中提出的基于可再生细菌纤维素的一维硅碳材料制备方法具有低成本和可规模化特点，为下一代锂离子电池硅基阳极的商业化应用提供了一条可行路径。

论文信息：

Silicon-Based Nanorod Anodes by Employing Bacterial Cellulose Derived Carbon Skeleton Towards Lithium-Ion Batteries

Dr. Jie Wang, Jiafeng Gao, Jian Zhang, Qiwen Jiang, Huanhuan Yin, Ziqi Wang, Prof. Songlin Zuo

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202100260