背景：

硅基材料得益于其超高的理论容量，在锂离子电池负极中得到了广泛的应用。然而硅负极材料存在一个关键问题：大幅度的体积变化导致电极结构破裂，产生绝缘界面层，使得材料的导电性变差同时导致不可逆的容量损失。近日，彭栋梁课题组针对上述问题提出了有效的解决方案：利用磁控溅射的方法，通过层-层溅射，制备了“防滑垫”结构的多孔多层Si/Cu非晶薄膜，该材料呈现了稳定的循环性能、超高的容量和库伦效率。

单层Si/Cu非晶薄膜

Si/Cu非晶薄膜的首次容量虽稍低于Si片，但在循环稳定性上却明显优于Si片。同时，研究人员通过分别调控Cu和Si纳米粒子的溅射时间，发现当Cu的沉积时间为171s时，样品的性能最优，其最高容量能达到3535 mAh/g（1A/g电流密度），同时在不同电流密度下，其库伦效率依然能维持99.0%。值得一提的是，该样品在20A/g条件下循环450圈后，容量还能维持在2000 mAh/g。

图1 单层Si/Cu非晶薄膜SEM图

图2 单层Si/Cu非晶薄膜电化学测试 (a)不同Cu沉积时间，相同Si沉积时间(1A/g）；(b) 不同Si沉积时间，相同Cu沉积时间所得样品循环图（1A/g）；

图3 样品a2的电化学性能测试(a)循环伏安（b）横流充放电（c）循环性能（1A/g）（d）倍率性能（e）循环性能（20A/g）

多层Si/Cu非晶薄膜

图4 四层Si/Cu非晶薄膜的俯视和侧视SEM图

图5（a）多层Si/Cu薄膜与Si片循环对比图，（b，c）四层Si/Cu薄膜的循环伏安图和首次充放电图；

图6 四层Si/Cu薄膜电子转移和内应力释放示意图

相对于Si片，多层Si/Cu薄膜表现出更高的容量和良好的循环稳定性。然而随着溅射层数的增加（2-4层），容量出现下降的趋势（仍优于Si片）。值得一提的是，研究人员发现，当沉积的层数为2,3,4层时，样品的容量相差不大，这主要得益于Si/Cu薄膜的多孔结构：首先，多层多孔的结构可以在Si材料体积发生急剧变化时提供足够的空间来缓解其产生的内应力，同时为Li+提供更多的传递通道（白实线）；其次，多孔结构具有较大的比表面积，可以提供更多的活性位点；再者，三维的Cu纳米结构可以保证电子的快速传递（黑虚线），同时也可以防止电极过度粉碎，进而改善体系的循环性能；最后，非晶态结构在适应体积变化上要由于晶体结构，有利于提高循环稳定性。

论文链接：Copper-Nanoparticle-Induced Porous Si/Cu Composite Films as an Anode for Lithium Ion Batteries