近期，青岛科技大学材料学院李彬特聘副教授在硅碳负极结构设计方面取得了新进展，该科研成果以“Si/SiO₂@Graphene superstructures for high-performance lithium-ion batteries”为题发表在材料学顶级期刊Advanced Functional Materials上(影响因子19.924)。该成果第一单位和通讯单位为青岛科技大学。

具有结构多样性和特殊功能的三维超结构一直是材料科学和能量转换领域的研究热点。尤其是对于锂离子电池硅(Si)负极，纳米Si的超结构和表面设计可以有效地克服Si本征电子电导率低、体积变化巨大(300 %)和固体电解质界面膜(SEI)过度积累的问题。将硅碳复合材料集成到纳米杂化结构中获得三维超结构是替代商用石墨负极的一种经济性改革。

在该工作中，研究人员设计了一种自上而下的策略，利用镁热还原反应和化学气相沉积法构建了Si/SiO₂@G-S超结构。Si/SiO₂@G-S超结构成功合成取决于桥状SiO₂包覆的Si纳米颗粒集成强大的三维网络。

Si/SiO₂@G-S超结构的合成策略

系统的研究表明，桥状SiO₂产生的牵引力可以缓解由体积膨胀引起的各个方向的应力，从而保持整个电极的完整性。此外，石墨烯的沉积保证了此超结构具有优异的结构稳定性和较高的离子/电子传输速率。基于Si/SiO₂@G-S的锂离子电池表现了优异的循环稳定性(~1180 mAh g^-1，循环500圈),极佳的倍率性能(908 mAh g^-1, 12 A g^-1)和机械稳定性。组装的全电池同样展现了良好的循环稳定性和倍率性能。一系列研究技术表明Si/SiO₂@G-S电极能有效稳定SEI膜。

Si/SiO₂@G-S超结构的工作机制及优异的倍率性能

该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高校青年创新技术基金等项目的支持。环境学院王磊教授为共同通讯作者，2020级博士马艺茹为第一作者。

DOI：adfm.202211648，ASAP