近日，物理与材料科学学院教师张波研究员在Chemical Engineering Journal上发表论文“Improving electrochemical performance of silicon-carbon anodefor lithium-ion batteries via one-step etching”，该文章采用HF溶液对Si/C复合材料进行一步刻蚀处理，实现了对纳米硅颗粒的精准刻蚀。经一步刻蚀后减小了Si/C复合材料中硅纳米颗粒的粒径，并且去除了石墨表面复合不均匀的硅颗粒，使其电化学性能得到了明显改善。

随着电动汽车（EVs）的快速发展，市场对锂离子电池能量密度提出了更高要求，从而推动了新一代高容量负极材料的研发进程。石墨的理论比容量仅为372 mAh g^-1，难以满足下一代高能量密度储能系统的需求。在此背景下，硅因其储量丰富、对环境无危害、比容量大(4200 mAh g^-1)等优点引起了人们的广泛关注和研究。但是硅基材料在电化学循环过程中产生巨大的体积膨胀会导致颗粒破碎、活性物质的粉化以及从集流体上脱落，从而降低循环性能。纳米化可以抑制硅的体积膨胀，但目前工业方法很难将纳米硅颗粒的尺寸进一步减小。

本研究通过使用纳米硅(43 nm)制备Si/C复合材料，然后采用HF溶液对Si/C复合材料进行一步刻蚀处理，实现了对纳米硅颗粒的精准刻蚀。经一步刻蚀后减小了Si/C复合材料中硅纳米颗粒的粒径，并且去除了石墨表面复合不均匀的硅颗粒，使其电化学性能得到了改善。

图1复合材料的合成流程图

刻蚀后的材料表现为更高的离子传导率以及更低的电极膨胀率。经刻蚀后硅含量为10.4%的Si/C复合材料在0.1 A·g^-1的电流密度下循环100次后仍保持92.3%的容量(594.9 mAh g^-1)，电极膨胀率仅为17.4%。即使在1 C速率下，Si/C电极也保持538.7 mAh g^-1的可逆容量。此外，Si/C电极在1 A·g^-1电流密度下循环500圈后具有81.7%的容量保持率，体现了卓越的长循环稳定性。更重要的是，Si/C负极和LiCoO₂正极组成的全电池能提供373.7 Wh/kg的高能量密度。

该工作近期被Chemical Engineering Journal接收发表。天津师范大学是唯一通讯单位，物理与材料科学学院材料工程专业研究生王怀民为论文第一作者，张波研究员和罗庇荣教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164382