在加速能源使用形式由化石能源向清潔能源轉變的戰略背景下，鋰離子電池（LIB）憑借其高能量密度、高功率、長循環壽命、較高的工作電壓、放電平穩、寬工作溫度范圍、無記憶效應和安全性能較好等綜合優勢，在實現環保而高效的儲能及轉化方式方面顯得尤為重要。作為鋰離子電池的重要組成部分，負極自身的性能直接影響著整個電池體系的性能。

 

       近年來，中國科學院山西煤炭化學研究所研究員宋燕及其帶領的科研團隊，通過對碳基及硅基負極材料進行結構設計，有效構筑了一系列電極材料，實現了材料比容量、循環穩定性和倍率性能的顯著提升。基于商業負極材料石墨在結構以及容量方面的局限性，團隊進行了多方嘗試，如圖1。以天然石墨鱗片以及瀝青焦炭為原料，通過熱壓燒結的方式制備了石墨碳與多孔納米碳共存的鎳摻雜中空納米碳負極材料（Carbon,2013,64:537-556;Electrochimica Acta, 2013,112:394-402；專利授權號201210363338.4）。隨后，團隊以瀝青為原料通過加壓縮聚的方式制備了類石墨片層碳，此材料作為負極材料時不僅具備石墨的強穩定性，其容量值也得到了提升（專利申請號202010121400.3）。針對硅基負極材料循環穩定性差的特性，團隊利用靜電作用在硅納米顆粒表面吸附陽離子表面活性劑來實現核殼雙層保護，減弱并限制硅膨脹時應力對材料結構造成的破壞（Chemistry-A European Journal,2017,23:2165-2170；專利授權號 201610580560.8和201610580586.2）。為進一步調控硅基雙包覆結構的性能，采用硬模板法引入空腔來緩和硅的體積變化，實現提高容量以及循環穩定性雙層目標（Electrochimica Acta,2019,295:75-81），如圖2。

 

       鑒于石墨材料高穩定性以及硅高比容量的特性，制備了膨脹石墨與硅的復合電極，硅納米顆粒與石墨片層之間形成典型的三明治結構，改善了材料的電子傳導特性，其表現出較為良好的性能（Carbon,2014,72:38-46）。在此基礎上，對膨脹石墨酸化并加入硅烷偶聯劑，實現硅納米顆粒在石墨片層之間的均勻分散，制備的復合電極片在0.4 A/g電流密度下循環450次后依然有接近800 mAh/g的比容量（Journal of Power Sources, 2018, 385:84-90；專利授權號201610993853.9）。

 

       以上工作得到國家自然科學-山西省低碳聯合重點基金以及山西省自然科學基金的支持。

圖1 碳基負極材料的結構設計形貌圖

圖2 硅基負極材料的結構設計示意圖及電化學性能圖

圖3 硅碳復合結構設計形貌圖及其電化學性能圖