硅，以其顯著的高容量——高達(dá)4200 mAh·g^-1，以及豐富的儲(chǔ)量，被視為快速充電高能量密度鋰離子電池的理想負(fù)極候選者。

然而，硅負(fù)極的應(yīng)用受到兩大關(guān)鍵內(nèi)在問(wèn)題的阻礙：

1. 在循環(huán)過(guò)程中，巨大的體積膨脹（超過(guò)300%）可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粉碎，形成連續(xù)的固體電解質(zhì)界面層，以及顆粒間電接觸的喪失，從而引發(fā)快速容量損失。
2. 較差的電子電導(dǎo)率（約10^-4 S m^-1）嚴(yán)重阻礙電子傳輸，進(jìn)而導(dǎo)致較差的倍率性能。

為解決這些問(wèn)題，最有效的策略是實(shí)現(xiàn)硅的納米化并進(jìn)行碳復(fù)合。

南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系趙天壽、韓美勝課題組在《Carbon Energy》期刊上發(fā)表了題為“用于快速充電的亞納米硅的多級(jí)碳結(jié)構(gòu)”的論文，提出了一種亞納米硅多級(jí)碳結(jié)構(gòu)：通過(guò)熱CVD技術(shù)將垂直石墨烯片錨定在亞微觀均勻分散的Si–C復(fù)合納米球的表面，隨后通過(guò)高溫碳化將其嵌入碳基體中。

在亞納米硅多級(jí)碳結(jié)構(gòu)的負(fù)極中，Si–C納米球中的亞納米C、VGS和碳基體共同構(gòu)建了一個(gè)三維導(dǎo)電和魯棒網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了電導(dǎo)率并抑制了Si的體積膨脹，從而促進(jìn)電荷傳輸，提高電極穩(wěn)定性。

這種亞納米硅多級(jí)碳結(jié)構(gòu)在工業(yè)電極條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。在半電池測(cè)試中，亞納米硅多級(jí)碳結(jié)構(gòu)提供了高容量（1279.6 mAh·g^-1），卓越的速率能力（在20 A·g^-1電流密度下具有676.4 mAh·g^-1的容量），以及高容量保持率（在5A·g^-1的電流密度下循環(huán)1000次后容量保持率為81.3%）。值得注意的是，全電池展現(xiàn)了卓越的快速充電能力，具有高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命。

接下來(lái)，我們將詳細(xì)介紹亞納米級(jí)硅復(fù)合材料的制備方法。