硅(Si)是理论比容量最高的锂电池负极材料（~4200 mAh/g），其值是目前商用石墨（~372 mAh/g）理论比容量的十多倍。然而，硅在充放电的过程中伴随着巨大的体积变化（体积膨胀高达400%），从而导致硅材料破碎和粉化（与基底失去电接触），进而造成容量迅速衰减。此外，硅本身的导电性比石墨较低，这些因素都限制了硅材料在锂离子电池中的实际应用。在保持高锂电存储容量的同时，如何实现高倍率和长寿命循环特性是硅基锂电池应用所面临的关键挑战。



硅/氧化锡基复合纳米线结构设计图

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授，徐骏教授课题组针对目前硅基锂电池所面临的主要困难，创新性地采用了一维复合纳米线结构设计，以导电性较好、体积膨胀较小的超长二氧化锡(SnO₂)纳米线作为框架和导电通道，嫁接以高比容量的高密度、超细硅纳米线作为储锂介质。在生长过程中，巧妙地利用H₂等离子体表面处理技术，在SnO₂主干纳米线侧壁上还原并析出Sn纳米颗粒，并以此为催化纳米颗粒，通过VLS模式，生长硅纳米线。相比于传统的硅纳米线锂电池，该Si/SnO₂ 纳米线分级结构展示出很高的负载量(1.5-5.0)mg/cm²和面比容量达 (1.8-3.4) mAh/cm²，并且获得了优异锂化循环稳定性能。



硅铜体系合金纳米管结构及其“超长稳定、快速冲放”锂电循环特性

进一步，该课题组又继续探索发现了一种3D交叉互联的硅铜体系合金纳米管结构，显著地提高了硅基锂电池的循环稳定性和倍率性能。实验表明，基于该结构的硅基锂电池经过1000次充放电后，容量依然保持在84% 以上，而每一次充/放电仅需要不到3 min, 即可实现目前商用石墨理论极限容量的2-4倍。此项研究为解决一维硅纳米结构面临的负载量低、倍率性能和循环稳定性差等问题指出了一条全新的突破思路和方向，对于发展高性能、可商业化的硅基锂电池具有重要显示意义。

相关研究成果陆续发表在Nano Energy 19 (2016) 511-521和Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.201504014）之上。论文的第一作者为博士生宋虎成同学，通讯作者是余林蔚教授和徐骏教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的施毅教授、潘力嘉教授以及现代工程与应用科学学院的周豪慎教授、何平教授的大力支持。该项研究工作受到“青年****”，国家基础研究“973”课题，国家自然科学基金，江苏自然科学基金，双创人才计划和江苏省“333”高层次人才培养工程项目的资助。
（电子科学与工程学院 科学技术处）