日前，國(guó)家納米科學(xué)中心智林杰研究員、李祥龍副研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)以氧化石墨烯和硅納米線為原料，采用真空過(guò)濾、熱還原相結(jié)合的方法，制備了石墨烯包裹的硅納米線，首次基于一維/二維的直接雜化實(shí)現(xiàn)了一種柔性的、自支撐的、無(wú)需任何添加劑的三維多孔硅基電極的構(gòu)筑（Nanoscale 2013, 5, 1470）。進(jìn)一步，他們引入自適應(yīng)界面保護(hù)層來(lái)穩(wěn)定硅材料，即在構(gòu)筑自支撐的石墨烯/硅納米線雜化電極之前，通過(guò)在硅納米線表面引入一種可隨其體積變化而同步膨脹或收縮的交疊狀石墨烯殼層來(lái)有效解決硅材料體積變化所引起的表界面問(wèn)題（圖1），研制出具有優(yōu)異循環(huán)性能的碳/硅納米雜化電極（ACS Nano 2013, 7, 1437）。此外，基于硅納米線/交疊石墨烯核殼納米電纜與碳納米管的一維/一維雜化，他們構(gòu)筑了一種自支撐結(jié)構(gòu)的三元納米雜化電極，在該電極中所有組分的一維結(jié)構(gòu)化可加快離子的擴(kuò)散和傳輸，從而大大提高其倍率性能（ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 6467）。
圖1 還原氧化石墨烯包裹的硅納米線/交疊石墨烯核殼納米電纜（SiNW@G@RGO）的制備及在充放電過(guò)程中的自適應(yīng)性示意圖。
他們通過(guò)空腔的整合和界面的延伸解決了硅納米結(jié)構(gòu)單元在充放電過(guò)程中由于其體積變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)、表界面、以及動(dòng)力學(xué)上的不穩(wěn)定性問(wèn)題，制備了一種管中線結(jié)構(gòu)的碳/硅納米雜化材料基電極（圖2），在高的充放電電流密度下（4.2 A/g），經(jīng)1000次循環(huán)后，其可逆比容量按整個(gè)電極質(zhì)量計(jì)算仍保持在1100 mAh/g以上，為目前廣泛使用的石墨負(fù)極材料理論比容量（372 mAh/g）的3倍（Adv. Mater. 2013, 25, 3560）。
圖2 管中線結(jié)構(gòu)的碳/硅雜化體（SiNW-d-GT）的示意圖、SEM、TEM、界面電荷傳輸示意圖及電化學(xué)性能。
此外，他們還提出了材料單元和材料宏觀體的協(xié)同工程，即在材料單元尺度上解決高容量納米材料體積膨脹引起的結(jié)構(gòu)、表界面、及電荷輸運(yùn)的不穩(wěn)定性問(wèn)題，在材料宏觀體尺度上解決高容量納米材料振實(shí)密度偏低的問(wèn)題；基于此思路，低成本、規(guī)模化制備了一種自支撐的織構(gòu)化碳/硅雜化納米線陣列電極（圖3）；在振實(shí)密度達(dá)1 g/cm3的情況下，經(jīng)過(guò)200圈充放電循環(huán)后，該類電極的體積比容量仍保持在1500 mAh/cm3左右。
圖3 基于材料單元和材料宏觀體的協(xié)同工程設(shè)計(jì)理念提出的一種自支撐的織構(gòu)化碳/硅雜化納米線陣列電極（t-Si@G NW array）示意圖及其充放電性能。
此研究能有效解決在充放電過(guò)程中劇烈的體積變化導(dǎo)致的電極結(jié)構(gòu)、表界面、電荷傳輸?shù)鹊牟环€(wěn)定性問(wèn)題，促進(jìn)硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，引領(lǐng)鋰離子電池的新發(fā)展應(yīng)用。
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