武科大網訊 近日，我校先進材料研究室在材料領域TOP期刊《eScience》（2025年IF=36.6，材料科學領域438本期刊中排名第3）上發表題為“Engineering micro-nano structures of SiOC via boron doping-induced self-assembly for superior cyclic stability of lithium-ion batteries”的研究論文。
論文創新性提出“硼摻雜誘導互聯-自組裝”新策略，制備了三維互聯的SiOCB空心多孔微球，研究了其作為鋰離子電池負極材料的電化學性能。材料學部2024屆博士畢業生李可琢和苑高千為本文第一作者，先進耐火材料全國重點實驗室雷文教授和張海軍教授為本文通訊作者。
圖1 三維互聯空心多孔SiOCB微球制備過程和微觀結構表征
采用聚合物前驅體法制備出具有頸部連接的三維互聯球形空心多孔SiOCB粉體（圖1）。STEM-HAADF三維重構與EDS/EELS表明SiOCB微球以三維互聯結構形式存在于產物中，且Si、O、C和B 元素在微球頸部連接處和表面均勻分布。所制備粉體的粒徑與孔結構可精確調控，雙聯鄰苯二酚硼酸酯（B2cat2）用量在三維互聯結構的形成中起著關鍵作用。
研究發現，B2cat2水解生成的B(OR)n可以誘導B–O–Si聚合物自組裝，在水熱合成階段形成多孔骨架，熱處理后的形貌也不發生變化，從而在保證電極致密度的同時引入了納米通道與3D電子/離子傳輸“高速公路”，有助于快速儲鋰。
圖2 三維互聯空心多孔SiOCB微球的應力分散與體積膨脹抑制機制
進一步的結果發現，所制備的Hp-SiOCB-20試樣兼具低的電荷轉移阻抗（~80 Ω）與高的Li?擴散系數（10-9~10-11 cm2 s-1），其倍率性能和循環性能均優于目前文獻報道的SiOC基負極材料。COMSOL有限元模擬及原位TEM表征結果表明：三維互聯空心多孔SiOCB微球在嵌鋰/脫鋰過程中可將單顆粒的局域應變由~3 nm降至~0.3 nm，極大限度地分散了應力，抑制了電極材料的體積膨脹。原位充放電循環三圈后，空心多孔SiOCB微球的平均膨脹率僅約為0.38%，不僅無晶相析出，而且在循環300圈后仍保持著三維互聯結構（圖2）。所制備的電極具有快速鋰離子擴散特性，在0.1 A g-1電流密度下可實現高達801 mAh g-1的可逆比容量，且在0.5 A g-1電流密度下經過300次循環后仍保持99%的儲鋰容量。此外，基于Hp-SiOCB-20負極與NCM811組裝的全電池的首圈充電容量約 183 mAh g-1，后續循環中的容量衰減率小于5%，庫侖效率約90%，進一步證明所制備的三維互聯空心多孔SiOCB微球在鋰離子電池中具有很高的實用潛力。
總之，基于“硼摻雜誘導互聯自組裝”新策略構建的空心多孔且具有三維互聯微納結構的SiOCB負極材料，實現了鋰離子電池 “低阻抗-快擴散-高容量-長壽命”的協同，極大程度抑制了電池在充放電過程中的體積膨脹，硼活性位點與富碳環境的形成強化了鋰離子的吸附與電荷轉移。該成果不僅在分子與原子層面深化了SiOC基材料的鋰存儲機制，也為其在高性能儲能器件中的應用提供了重要的理論依據。（材料學部）
【第一作者介紹】
李可琢：我校材料學部2024屆畢業生，博士期間主要研究方向為SiOC基負極材料的設計與合成，以第一作者在eScience（IF=36.6）、SusMat（IF=21.3）Energy Storage Materials（IF=20.2）和Advanced Functional Materials（IF=19）等高水平期刊發表SCI收錄論文7篇。目前在清華大學化工系開展博士后研究工作，主要研究方向為高比能鋰電池電解液分子設計與制備，獲2025年度國家資助博士后研究人員計劃C檔資助。
苑高千：我校材料學部2024屆畢業生，博士期間主要研究方向為微波誘導催化/合成，以第一作者在Green Energy & Environment（IF=14.6）、Chemical Engineering Journal（IF=13.2）和Journal of Hazardous Materials（IF=11.3）等期刊發表論文10余篇。目前在清華大學化學系開展博士后研究工作，主要研究方向為分子篩多相催化，獲2025年度國家資助博士后研究人員計劃C檔資助。
上述研究工作得到了先進耐火材料全國重點實驗室、國家自然科學基金等項目資助。
