在我国经济高质量发展过程中，以新能源汽车及大规模储能为代表的科技产业发展越来越离不开绿色能源的支持，其中，锂离子电池是最常用的一种重要的能量存储装置。目前，商业锂离子电池中使用最广泛的负极材料是石墨，但石墨负极的研究已接近理论容量，且仅有372 mAh/g，难以满足市场对电池高能量密度的需求。硅基负极因其成本低廉和高达3590 mAh/g的室温比容量已成为锂离子电池最具发展潜力的负极材料之一。然而，硅基负极的低首次库仑效率和差的循环稳定性限制了其大规模的商业化应用。针对该问题，学术界和工业界已提出多种预锂化方法以弥补硅基负极材料首次充放电过程中的不可逆锂损失，但这些方法普遍面临成本高、空气敏感和安全性差等问题。因此，在硅基材料的预锂化过程中，如何实现空气稳定和高首效之间的平衡是一个关键问题。

近期，中国科学院上海硅酸盐研究所的张涛研究员和孙壮副研究员，采用“微刻碳”技术制备了一种具有丰富锂官能团的多孔石墨基体，将其与纳米硅复合，合成出一种可在空气环境下稳定保存的富锂硅碳负极材料。研究发现，富锂多孔石墨与纳米硅在高温下可建立化学相互作用，形成表面锂官能团与相邻硅的O-Li-Si微结构。这种结构通过Li-Si成键实现了硅颗粒的原位预锂化，同时O和Si对Li的强束缚限制了锂的解离，可提高锂化硅碳材料的化学稳定性。DFT理论计算和电化学测试表明，锂预储的硅碳材料经过材料嵌锂的锂化过程，O-Li-Si微结构发生改变，锂的解离能下降，从而实现锂从负极材料中脱出，相应硅碳材料的首次库伦效率从87%提高至116%。研究成果以“Lithium Pre-Storage Enables High Initial Coulombic Efficiency and Stable Lithium-Enriched Silicon/Graphite Anode”为题，发表在学术期刊Angewandte Chemie International Edition上。论文第一作者为上海硅酸盐所2020级博士研究生高英杰，通讯作者为张涛研究员和孙壮副研究员。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202404637。

“微刻碳技术”是该团队提出的一种金属辅助刻蚀碳材料的技术，在活化碳材料的过程中通过引入纳米金属和特殊反应环境，基于催化反应动力学形成对碳材料的定向刻蚀。通过此策略可精细调控碳材料的孔结构、比表面积和表面化学，改善其作为电池活性材料的离子和电子输运特性，提高电池器件的电化学性能；另一方面基于该技术可在刻蚀碳材料过程中可控嵌入纳米金属，构筑出碳限域金属的复合催化材料，通过限域效应对碳/金属复合材料的催化活性进行调控。相关研究成果发表在Carbon, 2021, 175, 60；Advanced Functional Materials, 2021, 31, 210401；Energy & Fuels, 2023, 37, 17545及Carbon, 2024, 224, 118955上。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委、国家高层次人才特殊支持计划、上海市科委科技创新行动计划及山东泰安产业技术创新研究院等的资助和支持。

兼具高首效和高稳定性的富锂硅碳材料