所謂硅烯是由單層Si原子組成的納米片，具有與石墨烯類似的結構，與石墨烯不同的是該材料可以直接用作鋰離子電池的負極材料，而不僅僅是作為添加劑，目前該項研究成果由伍倫貢大學的JinchengZhuang等人聯合發表在了最新一期的《AdvancedMaterial》雜志上。硅烯材料由于其獨特的二維結構使得其能夠為Li+遷移提供足夠的空間和通道，從而抑制了嵌鋰/脫鋰過程中硅烯材料的形變。JinchengZhuang的研究顯示，硅烯作為鋰離子電池負極材料時比容量可達954mAh/g，雖然不如晶體Si材料，但是仍然遠遠的高于傳統的石墨材料(372mAh/g)，硅烯材料層之間較大的空間，較高的吸附能和較低的Li+擴散壁壘，都使得硅烯成為高比能、長壽命鋰離子電池理想的負極材料。

 

       實驗中JinchengZhuang采用的分子束外延法(MBE)和固相反應法合成了硅烯材料，詳細的合成過程我們就不做介紹了，感興趣的朋友可以索要原文進行查看。下圖是JinchengZhuang合成的硅烯材料的STM圖像，從圖上我們可以看到蜂窩狀的硅烯材料呈現出´結構，在這種結構模式中，6個Si原子并不處在同一個平面上，其中兩個原子向上彎曲，一個原子向下彎曲，呈現ABA——結構。同時在´結構中的無質量載流子也能夠極大的提高硅烯材料的導電性，從而克服了長期以來困擾Si負極材料導電性不好的難題，Si烯的采用可以極大的提高硅負極電池大電流充放電的能力。

 

       在硅烯材料的穩定性研究中發現，不同于單層硅烯材料，多層硅烯材料，無論是在純氧氣還是空氣中都十分穩定，不易與氧氣發生反應。多層硅烯材料具有較大的比表面積可以顯著的降低Li擴散的距離，層間較大的空間也能夠很好的緩沖嵌鋰過程造成的體積變化，因此是一種非常理想的負極材料。

 

       硅烯材料的嵌鋰特性在合成硅烯之前就已經通過軟件進行了模擬，模擬結果如下圖所示，Li原子懸浮于Si原子的上方，周圍有三個距離最近的Si原子與其結合，隨著嵌鋰的數量的增加，Li原子嵌入位置稍有偏移，最右側的Li0.5Si0.5則被當作是硅烯材料的完全嵌鋰狀態。理論分析表明，硅烯材料的理論比容量在954mAh/g左右，完全嵌鋰體積膨脹不超過25%，并且Li+在硅烯內部的擴散能量壁壘很小，這些特性都使得硅烯材料成為一種合適鋰離子電池負極材料。

 

       多層硅烯的合成方法如下圖所示，JinchengZhuang采用局部反應法合成了三種多層硅烯材料，分別是完全氧化硅烯、部分氧化硅烯和非氧化硅烯，其中非氧化硅烯材料在做為鋰離子電池負極材料時展現出了最好的庫倫效率和循環性能。同時硅烯材料良好的導電性和較低的Li+擴散能量壁壘使得硅烯材料展現出了優異的倍率性能。由于目前局部反應法制備的硅烯材料含有少量的氧原子，因此還可以通過進一步提高硅烯材料的純度來改善硅烯材料的循環性能。

 

       硅烯材料是近年來新興的一種二維材料，相比于傳統的晶體Si，硅烯材料具有許多獨有的屬性，例如良好的導電性，以及嵌鋰時較小的體積膨脹，都使得Si烯材料成為一種非常具有潛力的鋰離子電池負極材料。隨著硅烯材料研究的不斷深入，又將開辟鋰離子電池負極材料市場的一片藍海。