随着移动电子产品、电动汽车、可再生能源等领域的高速发展，对高能量密度、高功率密度、长循环寿命和高安全性的二次锂离子电池的需求越来越迫切。高性能电极的开发是关键，也是当前研究的热点和难点。在各类负极材料中，具有极高理论比容量的硅备受瞩目。然而，在充放电过程中其剧烈的体积变化导致的电极结构、表界面、电荷传输等的不稳定性问题已经严重制约了硅基负极的产业化进程。
在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，国家纳米科学中心智林杰研究员、李祥龙副研究员领导的研究团队针对这一难题，利用纳米级系统工程的设计理念提高其电化学性能，即从整体电极的角度出发设计和工程材料单元和材料宏观体，开发了一系列稳定的、具有协同效应的、高性能的碳/硅纳米杂化电极体系。他们以氧化石墨烯和硅纳米线为原料，采用真空过滤、热还原相结合的方法，制备了石墨烯包裹的硅纳米线，首次基于一维/二维的直接杂化实现了一种柔性的、自支撑的、无需任何添加剂的三维多孔硅基电极的构筑（Nanoscale 2013, 5, 1470）。进一步，他们引入自适应界面保护层来稳定硅材料，即在构筑自支撑的石墨烯/硅纳米线杂化电极之前，通过在硅纳米线表面引入一种可随其体积变化而同步膨胀或收缩的交叠状石墨烯壳层来有效解决硅材料体积变化所引起的表界面问题（图1），研制出具有优异循环性能的碳/硅纳米杂化电极（ACS Nano 2013, 7, 1437）。此外，基于硅纳米线/交叠石墨烯核壳纳米电缆与碳纳米管的一维/一维杂化，他们构筑了一种自支撑结构的三元纳米杂化电极，在该电极中所有组分的一维结构化可加快离子的扩散和传输，从而大大提高其倍率性能（ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 6467）。
图1 还原氧化石墨烯包裹的硅纳米线/交叠石墨烯核壳纳米电缆（SiNW@G@RGO）的制备及在充放电过程中的自适应性示意图。
他们通过空腔的整合和界面的延伸解决了硅纳米结构单元在充放电过程中由于其体积变化导致的结构、表界面、以及动力学上的不稳定性问题，制备了一种管中线结构的碳/硅纳米杂化材料基电极（图2），在高的充放电电流密度下（4.2 A/g），经1000次循环后，其可逆比容量按整个电极质量计算仍保持在1100 mAh/g以上，为目前广泛使用的石墨负极材料理论比容量（372 mAh/g）的3倍（Adv. Mater. 2013, 25, 3560）。
图2 管中线结构的碳/硅杂化体（SiNW-d-GT）的示意图、SEM、TEM、界面电荷传输示意图及电化学性能。
最近，他们提出了材料单元和材料宏观体的协同工程，即在材料单元尺度上解决高容量纳米材料体积膨胀引起的结构、表界面、及电荷输运的不稳定性问题，在材料宏观体尺度上解决高容量纳米材料振实密度偏低的问题；基于此思路，低成本、规模化制备了一种自支撑的织构化碳/硅杂化纳米线阵列电极（图3）；在振实密度达1 g/cm3的情况下，经过200圈充放电循环后，该类电极的体积比容量仍保持在1500 mAh/cm3左右，于同类报道中处于领先地位（Nano Lett. 2013, 13, 5578）；该研究发表后即被Green Car Congress网站评述http://www.greencarcongress.com/2013/11/20131111-wang.html
图3 基于材料单元和材料宏观体的协同工程设计理念提出的一种自支撑的织构化碳/硅杂化纳米线阵列电极（t-Si@G NW array）示意图及其充放电性能。
综上，已取得的系列进展将极大推进硅基负极的实用化研究，所发展的电极体系有望直接应用于下一代锂离子电池，在未来动力电池、智能电网等领域发挥作用。
