該文由程惠明教授撰寫，發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》“亮點(diǎn)評(píng)論”欄目，介紹了北京大學(xué)楊全紅院士課題組在“厚致密”硅基領(lǐng)域的最新成果陰極。

隨著人工智能時(shí)代的到來、消費(fèi)電子元件便攜性要求的日益提高、以及電動(dòng)汽車使用空間的限制，鋰離子電池的發(fā)展面臨著“空間恐懼”，即體積能量密度已成為鋰離子電池發(fā)展的重中之重。 具有高（質(zhì)量、體積）比容量的硅基正極是最有希望部分替代商業(yè)石墨的新一代鋰離子電池正極材料，但在嵌鋰過程中會(huì)發(fā)生巨大的體積膨脹，導(dǎo)致固體電解質(zhì)界面（SEI）破損、電極粉化等問題導(dǎo)致容量快速衰減。 納米技術(shù)的發(fā)展提高了硅基材料的質(zhì)量比容量，但較低的密度嚴(yán)重限制了其體積性能的優(yōu)勢[1]。

因此，為推動(dòng)高比容量硅基正極的商業(yè)化，需要研究人員充分發(fā)揮硅活性材料高體積比容量的優(yōu)勢，降低電極材料的密度，提高硅材料的負(fù)載能力。電極材料中降低活性物質(zhì)在組分中的體積比例可以獲得高體積能量密度的鋰離子電池[2]。 然而，當(dāng)前硅基陰極的優(yōu)異性能更多是在低電極密度下（

碳材料廣泛用于緩沖硅陰極的體積膨脹并增強(qiáng)其電子電導(dǎo)率[3]。 此外，高體積比容量、高膨脹硅正極材料的碳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨兩大挑戰(zhàn)：

因此，如何克服致密膨脹體系的偏轉(zhuǎn)矛盾，建立兼具高密度和高機(jī)械穩(wěn)定性的硅碳正極是實(shí)現(xiàn)其高體積比容量和長循環(huán)壽命的關(guān)鍵。

近年來，北京大學(xué)楊全紅院士課題組發(fā)明了精準(zhǔn)可控的毛細(xì)管蒸發(fā)技術(shù)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了碳網(wǎng)絡(luò)的柔性回縮[4,5]，系統(tǒng)地提出了建立大容量碳網(wǎng)絡(luò)的方法。高性能儲(chǔ)能（密集存儲(chǔ)能源）組件設(shè)計(jì)原理、方法、材料、電極以及器件[6,7]、超級(jí)電容器[8]、鋰離子電池[9]、鋰硫電池[ 10]，以及鋰空氣電池[11]、鈉離子電池[12]、鉀離子電池[13]等體系實(shí)現(xiàn)了高容量儲(chǔ)能材料、電極和器件的建立，極大地促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。推動(dòng)了基于碳納米材料工藝的新型電物理儲(chǔ)能元件的實(shí)際應(yīng)用。

特別是楊全紅課題組[14]最近在構(gòu)建“厚而致密”的硅基陰極時(shí)提出了通過可控收縮結(jié)合碳/硅界面改性來改善碳結(jié)構(gòu)熱緩沖的策略，實(shí)現(xiàn)了“厚而致密”該電極具有高體積比容量（>-3）、高外觀容量（>-2）以及優(yōu)異的體積和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 相關(guān)研究成果已發(fā)表。

在材料設(shè)計(jì)和制備方面，他們提出了可流動(dòng)、可變形、可擦除的“變形鋼”硫模板方法，結(jié)合三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)毛細(xì)管收縮技術(shù)??，定制了硅納米粒子的碳籠結(jié)構(gòu)。 保留必要的最小孔隙，輔以聚多巴胺表面修飾，提高納米粒子與石墨烯籠之間的界面結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)碳籠對納米粒子硅（硅純度>50%，重量百分比）域的強(qiáng)限制，顯著提高硅碳電極的熱緩沖能力。 在電極密度為1 gcm-3、實(shí)用外觀容量為3 -2的條件下，硅碳正極的體積比容量超過-3（是商用石墨正極的3倍以上）。 經(jīng)過100次循環(huán)循環(huán)后，容量保持率仍高達(dá)76%。 當(dāng)電極負(fù)載量降低至6.-2時(shí)，體積比容量為-3，穩(wěn)定循環(huán)50次后容量保持率在60%以上。

同時(shí)，他們利用原位透射電子顯微鏡對膨脹正極進(jìn)行了系統(tǒng)的熱分析。 在碳籠的平面壓縮試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)石墨烯籠在壓縮回調(diào)過程中（變形超過80%）對其中的硅納米顆粒具有良好的限流效果； 在垂直平面剪切測試中，發(fā)現(xiàn)石墨烯籠在被剪切破壞的過程中仍與硅納米粒子約束保持良好的界面結(jié)合。基于原位透射電子顯微鏡的熱電物理耦合表征證明：石墨烯籠具有足夠的機(jī)械柔性和熱剛性，在嵌入鋰（完全嵌入）后對完全膨脹（>300%）的硅具有優(yōu)異的約束緩沖效果。 鋰時(shí)材料變形

電極的高效偏轉(zhuǎn)管理是開發(fā)下一代實(shí)用高比容量膨脹正極的“必修課”。 該研究從硅基陰極實(shí)際設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，建立了基本結(jié)構(gòu)-復(fù)合界面-實(shí)用電極的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為高體積能量密度組件中高比容量膨脹陰極提出了可靠的解決方案。 同時(shí)，他們借助原位傳輸技術(shù)系統(tǒng)分析了高比容量硅碳復(fù)合材料的熱性能以及膨脹過程中的熱行為，為成功制備高比容量硅碳復(fù)合材料提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 “厚而密”的電極。 增加電極的制備成本（如采用大尺寸微米硅）、控制界面反應(yīng)（建立動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的表面保護(hù)層）、保證“厚密”體系的快速充電能力、熱安全性管理等。實(shí)際推廣非常關(guān)鍵，將是未來該方向研發(fā)的重點(diǎn)。

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膨脹陰極熱強(qiáng)化：“厚而致密”硅碳電極的新策略程慧明. 科學(xué)公報(bào)，