隨著移動(dòng)電子產(chǎn)品、大規(guī)模儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ)量、極高的理論比容量等優(yōu)勢(shì)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(guò)程中容量衰減很快，難以應(yīng)用于實(shí)際化電池中。

針對(duì)上述難題，國(guó)家納米科學(xué)中心李祥龍(中科院青促會(huì)會(huì)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(chǔ)鋰性能(Nano Lett. 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(wèn)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(wèn)題。基于此，開(kāi)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(Nano Lett. 2015, 15, 6222)、仿扇貝形體的碳硅核殼雜化顆粒(Small 2018, 14, 1800752)、取向石墨烯支撐的石墨烯硅層化微粒(Nanoscale 2019, 11, 21728)、珊瑚狀互聯(lián)的碳包覆多孔硅線陣列(ACS Nano 2019, 13, 2307)等。進(jìn)一步，基于前期研究工作以及領(lǐng)域前沿動(dòng)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, 1804973;Mater. Sci. Eng., R 2019, 137, 1;Adv. 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?jī)?chǔ)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)提供了新視角。

圖1. 石墨烯與硅及其他高容量?jī)?chǔ)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(chǔ)鋰性能(ACS Nano 2017, 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(chǔ)鋰性能：在800 mA/g的電流密度下重量與體積比容量分別高達(dá)2646 mAh/g和2350 mAh/cm3，在2000 mA/g的電流密度下循環(huán)500次后重量比容量仍保持近1500 mAh/g;即使在20000 mA/g的電流密度下重量比容量仍高達(dá)810 mAh/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，不僅提供了電子/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“Stable high-capacity and high-rate silicon-based lithium battery anodes upon two-dimensional covalent encapsulation”為題于 2020年7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(chǔ)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(chǔ)能體系提供了設(shè)計(jì)思路和實(shí)用化途徑。

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)目的支持。

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