本研究由清华大学化学工程系绿色反应工程与技术北京市重点实验室的Chunhui Yu、Xiao Chen等研究者完成，通讯作者为Fei Wei教授。研究成果以”Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions”为题，于2019年7月1日发表在《Nano Letters》期刊（2019年第19卷第5124-5132页）。
锂离子电池（Lithium-ion battery）领域一直致力于开发高性能负极材料以取代商用石墨负极。硅基（Si-based）材料由于具有高理论容量（theoretical capacity）、低工作电压（~0.1V vs Li/Li+）和低成本等优势，被认为是极具前景的候选材料。然而，硅负极在实际应用中面临两大主要挑战：一是充放电过程中巨大的体积变化；二是固体电解质界面（SEI, solid electrolyte interphase）的不稳定性。
以往研究多关注电化学驱动的界面反应，而忽略了硅负极与电解质之间的本征化学反应活性。在有机硅领域中，硅与卤素氟之间的化学反应很常见。因此，作者推测在电池系统中硅可能与六氟磷酸锂（LiPF6）发生化学反应生成六氟硅酸锂（Li2SiF6），而这一化学反应对电池性能的影响尚未被充分研究。此外，纳米碳包覆层可能催化这一副反应，加速负极材料的失效。
化学验证实验：将Si或Si@C粉末与电解液（1M LiPF6溶于EC:DEC:DMC=2:1:2体积比的混合溶剂）混合，置于高压釜反应器中加热加速反应5小时，通过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）表征反应产物，证实了Li2SiF6晶体的生成。
反应动力学研究：通过Arrhenius公式计算不同材料的反应活化能。结果显示，Si@C的反应活化能（38.98 kJ/mol）仅为纯Si（76.98 kJ/mol）的一半，表明碳包覆层显著催化了这一副反应。
材料设计与合成：受高温气冷堆（HTGRs）核燃料设计的启发，研究团队采用两步化学气相沉积（CVD）法制备了Si@SiC@C复合材料。先在850℃下用C2H4对Si粉进行碳包覆，然后在1300℃下Ar/H2气氛中热处理形成SiC中间层，最后再次进行碳包覆。
材料表征：通过XRD证实了Si和SiC的存在（SiC含量约20.5 wt%）；TGA结果显示SiC层结构致密；TEM观察到清晰的核壳结构，SiC中间层厚度约7-8nm，外层碳约8-10nm；比表面积测试显示Si@SiC@C的比表面积为17.25 m²/g。
电化学性能测试：
机理验证实验：
副反应验证：证实了Si与LiPF6确实可以化学反应生成Li2SiF6，而纳米碳包覆层使该反应速率提高了30倍（常温下）至18倍（90℃下），这是由于碳包覆使反应活化能从76.98 kJ/mol降至38.98 kJ/mol。
SiC保护层效果：
电化学性能：
机理证实：
本研究发现了一种之前被忽视的硅基负极失效机制：Si与LiPF6会持续化学反应生成Li2SiF6，而纳米碳包覆层催化了这一副反应，导致活性物质的持续消耗和性能衰减。研究提出的Si@SiC@C核壳结构（模仿核燃料结构设计）通过引入SiC中间层，有效阻隔了Si与LiPF6的接触，将副反应速率降低了300倍。
该研究对高性能锂离子电池硅基负极的设计具有重要指导意义： 1. 科学价值：揭示了传统Si/C结构中纳米碳催化副反应的新机制，提出了基于反应活化能控制的副反应抑制策略。 2. 技术价值：SiC中间层设计（厚度7-8nm）既能阻隔副反应，又不显著影响Li+传输（通过晶格膨胀机制），为高稳定性硅基负极开发提供了新思路。 3. 应用价值：材料在实际电流密度下（1-2A/g）展现了优异的循环稳定性（800次循环容量保持率>80%）和倍率性能，具有商业化潜力。