本文的研究团队主要来自中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室、中国科学院大学化学科学学院以及安徽艾美特新能源科技有限公司。通讯作者为李革（Ge Li）和郭玉国（Yu-Guo Guo）。该研究成果以题为“Constructing functional lithium-ion transport interfaces by in-situ growth and transformation on chemical vapor deposition-derived silicon−carbon anode materials”的论文形式，发表于Journal of the American Chemical Society期刊，于2026年2月18日在线发表，卷148，页码9103-9113。

该研究属于电化学储能与先进电池材料领域，具体聚焦于锂离子电池（LIBs）硅基负极材料的性能优化。随着电动汽车市场的快速扩张，市场对具有更高能量密度和更快充电能力的锂离子电池需求日益迫切。硅因其极高的理论比容量而被视为下一代高能量密度锂离子电池负极材料的有力候选者。然而，硅基材料在充放电过程中存在巨大的体积膨胀/收缩、本征电子/离子电导率低以及固体电解质界面（SEI）不稳定等问题，严重制约了其循环寿命和倍率性能。

目前商业化的硅基负极材料主要包括球磨技术制备的纳米硅碳复合材料（nano-Si/C）、SiOₓ基负极材料以及化学气相沉积（CVD）技术制备的硅碳复合材料（CVD-Si/C）。其中，CVD-Si/C因其能将纳米硅沉积到多孔碳骨架中，在比容量、初始库仑效率（ICE）和体积膨胀控制方面取得了显著进展，被认为是最有前景的下一代高性能硅基材料。然而，纳米硅在高度多孔的碳骨架中呈不连续分布，这往往会阻碍锂离子（Li⁺）的传输，导致其快充能力受限。传统的界面修饰技术（如碳包覆）难以有效提升CVD-Si/C界面的Li⁺传输能力。因此，优化CVD-Si/C，特别是其界面处的Li⁺传输动力学，成为提升其倍率性能的关键。本研究旨在通过构建连续且快速的Li⁺传输界面，来提升CVD-Si/C材料的倍率性能和循环稳定性。

研究的详细工作流程如下： 首先，研究人员通过控制硅烷气体的用量，在多孔碳骨架中沉积不同量的纳米硅，制备了三种具有不同硅含量和表面硅层厚度的材料，分别命名为FSC、SSC和LSC。它们的硅含量分别为51.1%、53.6%和55.3%。使用同一批次的多孔碳作为基底，确保了三者结构的一致性。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）等手段对材料的基本形貌、结构和成分进行了表征。特别地，利用聚焦离子束（FIB）技术对颗粒进行切片，并通过透射电子显微镜（TEM）和TEM-EDS线扫描，直观地观察并量化了表面硅层的厚度（FSC几乎无表面层，SSC约30 nm，LSC约100 nm）。电化学测试（半电池）评估了三种材料的比容量、初始库仑效率和循环稳定性。结果表明，LSC具有最高的比容量（2331.2 mAh g⁻¹）和ICE（92.4%），但循环稳定性最差（300次循环后容量保持率仅4.3%），这归因于过厚的表面硅层在锂化时形成Li₁₅Si₄导致剧烈体积膨胀。FSC因比表面积过大、界面副反应多，容量保持率也较差（16.5%）。SSC因具有适中的表面硅层，表现出最佳的容量保持率（33.9%）以及较高的比容量（2193.4 mAh g⁻¹）和ICE（91.8%），因此被选为后续改性的基础材料。

其次，为了进一步提升Li⁺传输能力，研究团队对SSC进行了表面氧化和锂化处理，旨在将其表面硅层转化为LiₓSiOᵧ层。具体步骤是：先对SSC进行表面氧化，通过控制氧化温度制备了四种不同氧化程度的材料（SSC@SO-1至SSC@SO-4）。通过计算表面硅层的完全氧化所需氧含量（2.8%），并结合材料的总氧含量分析，确定SSC@SO-2（表面氧含量2.6%）实现了表面硅层的近乎完全氧化，同时避免了内部硅被氧化，是最佳的氧化条件。XRD、XPS和TEM等表征证实了表面非晶硅层成功转化为SiOₓ（含部分SiO₂晶相），厚度约20 nm，且氧化深度被严格限制在颗粒表层约30 nm范围内。随后，对最优氧化样品SSC@SO-2进行锂化处理，通过控制锂化量，发现当锂化量为0.25 wt%时，材料（命名为SSC@LSO）具有最合适的锂化程度和最佳的ICE（91.9%）。XRD分析表明，表面的SiOₓ层成功转变为Li₂SiO₃和Li₂Si₂O₅等锂硅酸盐（LiₓSiOᵧ）相。

接下来，对最终产物SSC@LSO进行了全面而深入的表征，以分析LiₓSiOᵧ层的存在状态和性质。SEM和原子力显微镜（AFM）显示，经过改性后，材料表面从粗糙变得光滑均匀，比表面积显著降低（从SSC的36.4 m² g⁻¹降至2.72 m² g⁻¹），表明不连续的表面硅层通过氧化和锂化连接成了连续的LiₓSiOᵧ层。TEM结合FIB切片技术显示，SSC@LSO表面形成了厚度约30 nm的结晶区域，内部均匀分布着Si、Li₂SiO₃和Li₂Si₂O₅相。拉曼光谱中出现了硅酸盐基团的对称伸缩振动峰（950 cm⁻¹），证实了LiₓSiOᵧ层的存在。XPS深度剖析（Li 1s, Si 2p, O 1s）表明，Li-Si键、Si⁴⁺峰和Li-O键在约30 nm的刻蚀深度内稳定存在，证明表面硅层完全转化为LiₓSiOᵧ层。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）深度剖析和3D重构进一步证实，Li和O元素在表面约25 nm内富集且分布均匀，并有一定渗透（至约83 nm深度），而Si和C元素在内部均匀分布。AFM模量测试表明，SSC@LSO的杨氏模量显著高于SSC，说明LiₓSiOᵧ层具有更高的机械强度，有助于增强界面和结构稳定性。

在电化学性能与机理研究方面，研究人员对SSC和SSC@LSO进行了系统的对比测试和分析。半电池测试显示，SSC@LSO的可逆比容量为1959.7 mAh g⁻¹，ICE为91.9%。虽然比容量因部分活性硅转化为锂硅酸盐而略有下降，但ICE得以保持。微分容量（dQ/dV）曲线显示，SSC@LSO在0.44 V附近对应于Li₁₅Si₄形成的峰明显减弱，表明体积膨胀得到抑制。电化学阻抗谱（EIS）分析表明，SSC@LSO的电荷转移电阻（Rct）显著低于SSC（61.4 Ω vs. 100.8 Ω），且低频区斜率更接近1，表明其Li⁺传输/扩散动力学更快。恒电流间歇滴定技术（GITT）测试计算出SSC@LSO的平均Li⁺扩散系数（1.9 × 10⁻¹¹ m² s⁻¹）比SSC（2.5 × 10⁻¹² m² s⁻¹）高出一个数量级。倍率性能测试结果显著：在2C电流密度下，SSC@LSO的容量仍高达1180 mAh g⁻¹，而SSC仅为143 mAh g⁻¹；当电流恢复至0.2C时，SSC@LSO的容量恢复率也远高于SSC。

为了从理论上解释性能提升的根源，研究团队进行了第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。结果表明，与SSC相比，SSC@LSO具有更低的Li⁺表面扩散势垒（0.39 eV vs. 0.53 eV）和更弱的Li⁺吸附能（绝对值更小），这有利于Li⁺在材料表面的快速迁移和脱附。更重要的是，Li⁺从颗粒表面向内部迁移的势垒在SSC@LSO中整体显著低于SSC，这表明LiₓSiOᵧ层促进了Li⁺从表面向内部快速传输通道的形成。原位膨胀分析显示，SSC@LSO的体积膨胀率（33.3%）明显低于SSC（40.7%），证明了LiₓSiOᵧ层作为刚性无机界面缓解体积膨胀的作用。循环250次后的EIS分析表明，SSC@LSO的Rct和SEI电阻（Rsei）均低于SSC，说明其具有更稳定的SEI和界面。长循环测试中，SSC@LSO在250次循环后容量保持率高达84.9%（容量1502.8 mAh g⁻¹），平均库仑效率为99.9%；而SSC的容量保持率仅为39.2%，平均库仑效率为99.6%。

循环后电极的深入分析揭示了性能差异的微观机制。XPS深度剖析（F 1s谱）显示，循环后SSC@LSO电极表面SEI中无机LiF组分比例更高，且结构更稳定；而SSC电极的SEI中含有更多有机氟化物组分，且LiF峰位随刻蚀深度发生偏移，表明其SEI不稳定。AFM显示循环后SSC@LSO电极表面更平整、模量更高。SEM观察发现，循环后SSC电极厚度膨胀达168.9%，颗粒出现明显的龟裂，裂纹深度约1 μm；而SSC@LSO电极厚度膨胀仅为124.6%，颗粒结构完整，仅观察到约0.5 μm的电解液渗透深度，无明显的颗粒破碎。这些结果共同证明，SSC@LSO表面的LiₓSiOᵧ层赋予了电极卓越的机械化学稳定性和界面稳定性。

最后，为了评估SSC@LSO的实际应用价值，研究团队组装了Ah级软包电池。该电池采用SSC@LSO与石墨复合负极（质量比15:85）和NCM811正极（N:P比为1.1），初始容量为1.48 Ah。倍率测试显示，在5C电流下其容量利用率仍能达到1C下的86.9%。在25°C和45°C下进行1000次循环测试，容量保持率分别高达91.7%和83.7%，展现了优异的循环稳定性。

本研究的结论是：成功开发了一种具有连续且快速Li⁺传输界面的新型硅碳负极材料SSC@LSO。通过在多孔碳中沉积纳米硅，并将表面硅层转化为LiₓSiOᵧ层，该材料在充放电过程中能够形成连续的Li⁺传输通道。LiₓSiOᵧ层作为刚性涂层缓解了体积膨胀以维持界面稳定，同时作为惰性层减少了与电解液的副反应。因此，SSC@LSO在保持高比容量（1959.7 mAh g⁻¹）和高ICE（91.9%）的同时，其倍率性能和循环稳定性得到了显著提升。Ah级软包电池的优异性能进一步凸显了该材料在高性能锂离子电池，尤其是大规模应用硅基负极材料方面极高的实用价值。

本研究的亮点在于：1. 创新的界面工程策略：提出了通过“表面硅层氧化-锂化”的原位转化法，在CVD-Si/C材料表面构建连续、渗透的LiₓSiOᵧ界面层，这一方法新颖且有效。2. 多尺度、多角度的深入表征与机理揭示：结合FIB-TEM、XPS深度剖析、ToF-SIMS、AFM模量测试等先进表征手段，从纳米尺度到微米尺度，从化学成分到力学性质，全面、直观地证实了LiₓSiOᵧ层的形成、结构、厚度、元素分布及其作用。3. 理论与实验紧密结合：通过DFT计算从原子尺度揭示了LiₓSiOᵧ层降低Li⁺扩散势垒和吸附能的机理，为性能提升提供了坚实的理论支撑。4. 卓越的综合电化学性能：所制备的材料在比容量、ICE、倍率性能和长循环稳定性之间取得了优异的平衡，其性能指标优于文献中报道的许多典型硅基负极材料。5. 成功的实际应用验证：通过组装Ah级软包电池并展示其出色的循环和倍率性能，有力地证明了该材料从实验室走向实际应用的巨大潜力。

此外，研究中对氧化和锂化程度的精确控制、对不同硅层厚度材料（FSC, SSC, LSC）的对比研究、以及对循环后电极界面化学和形貌演变的深入分析，都为理解和设计高性能硅基负极材料提供了宝贵的见解和数据支持。