隨著移動電子產(chǎn)品、大規(guī)模儲能和電動汽車的快速發(fā)展，開發(fā)高能量密度、高功率密度、長循環(huán)壽命、高安全性的鋰離子及后鋰離子電池已成為當(dāng)今儲能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。發(fā)展高容量、高倍率、高穩(wěn)定性的電極材料是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。硅材料由于其豐富的儲量、極高的理論比容量等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注。然而，由于其巨大的體積變化效應(yīng)和固有的低導(dǎo)電性，硅材料循環(huán)過程中容量衰減很快，難以應(yīng)用于實(shí)際化電池中。

針對上述難題，國家納米科學(xué)中心李祥龍(中科院青促會會員)、智林杰研究團(tuán)隊(duì)提出利用納米系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)理念提升材料儲鋰性能(NanoLett.2013,13,5578)，在材料單元尺度上解決高容量電極材料體積膨脹引起的結(jié)構(gòu)、表界面、及電荷輸運(yùn)不穩(wěn)定性問題，與此同時(shí)，在材料宏觀體尺度上解決其振實(shí)密度偏低等實(shí)用化問題。基于此，開發(fā)了一系列穩(wěn)定、具有協(xié)同效應(yīng)、高性能的碳硅雜化電極體系，例如，含硅納米粒子的模板碳橋連取向石墨烯宏觀體(NanoLett.2015,15,6222)、仿扇貝形體的碳硅核殼雜化顆粒(Small2018,14,1800752)、取向石墨烯支撐的石墨烯硅層化微粒(Nanoscale2019,11,21728)、珊瑚狀互聯(lián)的碳包覆多孔硅線陣列(ACSNano2019,13,2307)等。進(jìn)一步，基于前期研究工作以及領(lǐng)域前沿動態(tài)，從碳組分的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與形態(tài)，以及硅組分的維度和維度雜化等方面闡述了碳硅雜化材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)建方法(Adv.Mater.2019,31,1804973Mater.Sci.Eng.,R2019,137,1Adv.Funct.Mater.2019,29,1806061)從材料、電極及材料電極協(xié)同三個(gè)方面提出石墨烯與硅及其他高容量儲能電極材料的雜化方法和策略(Chem.Soc.Rev.2018,47,3189圖1)，為高性能雜化結(jié)構(gòu)材料及電極的合理設(shè)計(jì)供應(yīng)了新視角。

圖1.石墨烯與硅及其他高容量儲能電極材料的雜化方法和策略

近些年，研究團(tuán)隊(duì)從低成本的二氧化硅納米顆粒出發(fā)，改進(jìn)鎂熱還原技術(shù)、規(guī)模化制備了一種仿繡球形態(tài)的硅烯材料，其應(yīng)用于鋰離子電池時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合儲鋰性能(ACSNano2017,11,7476)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)提出并發(fā)展一種植皮式二維共價(jià)封裝策略(圖2)，基于繡球狀硅烯進(jìn)一步制備了硅氧碳鍵基繡球狀共價(jià)雙烯，其表現(xiàn)出卓越的綜合儲鋰性能：在800mA/g的電流密度下重量與體積比容量分別高達(dá)2646mAh/g和2350mAh/cm3，在2000mA/g的電流密度下循環(huán)500次后重量比容量仍保持近1500mAh/g即使在20000mA/g的電流密度下重量比容量仍高達(dá)810mAh/g，體積比容量相比非共價(jià)封裝和未封裝材料分別高出1358%和1442%以整體器件計(jì)算，基于該碳硅材料的全電池能量密度比基于石墨的高出40~60%，比目前的商業(yè)化鋰離子電池的比能量和能量密度均高出40%以上。初步的研究也表明，二維共價(jià)封裝策略在有效緩解硅體積膨脹的情況下，不僅供應(yīng)了電子/鋰離子高效混合傳輸通道，還變革材料界面、確保了電子/鋰離子高效且穩(wěn)定傳輸。研究成果以Stablehigh-capacityandhigh-ratesilicon-basedlithiumbatteryanodesupontwo-dimensionalcovalentencapsulation為題于2020年七月31在線發(fā)表于《自然通訊》(Nat.Commun.2020,DOI:10.1038/s41467-020-17686-4)。

圖2.植皮式二維共價(jià)封裝策略，高綜合性能碳硅負(fù)極構(gòu)建及儲鋰性能

納米系統(tǒng)工程理念及系列構(gòu)建策略為同時(shí)提高硅以及其他高容量電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率等性能、發(fā)展新一代先進(jìn)電極及鋰離子電池等儲能體系供應(yīng)了設(shè)計(jì)思路和實(shí)用化途徑。

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會和我國科學(xué)院青促會等項(xiàng)目的支持。