國家納米中心等在鋰離子電池硅負極方面取得進展

　　隨著智能電子、電動汽車及規模儲能的快速發展，研發高能量密度、高功率密度、長循環壽命和高安全性的鋰離子及后鋰離子電池是當今儲能領域的研究熱點和焦點。開發高容量、高倍率、高穩定性電極材料是實現這一目標的重要途徑。硅，由于其豐富的儲量、極高的理論容量等優勢受到廣泛關注。然而，由于其巨大的體積變化效應和固有的低導電性，其容量在循環過程中快速衰減，難以滿足實際應用需求。

　　針對上述難題，各種材料設計及工程方案已被廣泛示范。相比納米結構化，級次結構化有助于提高振實密度及體積能量密度，并改善材料加工性能。然而，面向實際應用，在高載量和高電流密度下實現其穩定循環極具挑戰性。中國科學院國家納米科學中心李祥龍研究團隊一直致力于儲能雜化材料的結構設計、系統工程、協同效應及應用探索，包括鋰離子及鋰金屬電池。近日，受蜂巢啟示，該團隊聯合中國石油大學（華東）教授智林杰，提出一種自上而下的微米硅結構化策略（界面雙重共價調控的各向同性渠化）。通過微米硅的鋰化、去鋰化及多巴胺改性，研究人員制備由蜂巢狀徑向排布的硅納米片組成的、聚多巴胺衍生碳雙重共價控制包覆的碳硅雜化微粒，實現微米硅的各向同性渠化和界面可控固化。

　　一方面，各向同性渠化在顆粒內部各個方向上創制鋰離子的低迂曲度、快速傳輸通道，解耦離子傳輸和顆粒取向間的關聯，使顆粒容量發揮不受限于活性材料載量及傳統極片制造工藝；另一方面，基于碳硅間中等密度的雙重價鍵（碳-氧-硅、碳-氮-硅），界面控制固化促成高度耐用的鋰離子選擇性滲透媒介，顯著抑制副反應導致的傳輸通道窄化、變形，甚至阻塞，保障離子以及電子的穩定輸運。基于各向同性渠化和界面可控固化，碳硅雜化微粒在商業級載量及高充放電倍率下，表現出優越的循環穩定性，特別是在面容量為3.4 mAh/cm2和電流密度為3.2 mA/cm2、面容量為4.0 mAh/cm2和電流密度為4.8 mA/cm2的苛刻條件下，均可穩定循環100圈。上述研究為具有工業化應用特征的高性能硅以及其他儲能顆粒的理性設計和規模制造提供新思路和新途徑。

　　相關成果以Controlled Isotropic Canalization of Micro-Sized Silicon Enabling Stable High-Rate and High-Loading Lithium Storage為題發表在Advanced Materials上。