一、成果概述：

从低成本的二氧化硅纳米颗粒出发，改进镁热还原技术、规模化制备了一种具有微纳超结构的仿绣球形态硅烯材料，其应用于锂离子电池时展现出优异的综合储锂性能（ACS Nano2017，11，7476）。 在此基础上，研究团队提出并发展一种“植皮式”二维共价封装策略制备了硅氧碳键基绣球状共价双烯，其表现出卓越的综合储锂性能（图 3）：即使在 20000 mA/g 的电流密度下重量比容量仍高达 810 mAh g-1，体积比容量相比非共价封装和未封装材料分别高出 1358%和 1442%；比目前的商业化锂离子电池的比能量和能量密度均高出 40%以上（Nat. Commun. 2020，11，3826）。

二、技术特点及技术指标：

1. 制备公斤级硅/碳杂化材料，实现活性材料面负载量 10 mg cm-2 以上稳定循环 500 圈（面容量达到~10 mAh cm-2 以上）。

2. 通过杂原子（氧原子、氮原子等）有效桥连硅/碳界面，实现硅/碳之间稳定的化学结合，进一步优化硅/碳界面电子和锂离子传输特性，实现高负载量、高倍率性能硅/碳负极材料的宏量制备，在 5 C（20 A g-1）电流密度下放电容量为 0.1 C 的 60%。 3. 建立针对硅碳负极体系表征分析方法，明晰其电荷动力学特征，反馈优化材料与电极结构设计。实现关键材料中试化制备；攻关锂离子电池连续化制备核心工艺，获得高性能动力锂离子电池并实现连续化生产。

三、应用领域：

根据 2017 年 4 月发布的《汽车产业中长期发展规划》，到 2020 年，锂离子动力电池能量密度需达到 300 Wh kg-1 以上；2025 年，能量密度需达到 350 Wh kg-1 以上。锂电池要达到此规划中的能量密度，正极需要使用高比容量的镍钴锰或镍钴铝三元正极材料，同时负极也需要匹配高比容量的材料，因此结合了碳材料高电导率、稳定性及硅材料高比容量优点的硅/碳杂化材料有着巨大的发展潜力。然而，2018 年全球负极材料消费量约 27 万吨，硅基负极占比还不到负极材料总量的 3%（消费量约 6000 吨）。预计硅基负极材料需求量年均增长将超过 50%，到 2022 年我国硅基负极材料产量及消费量将达到 63000 吨，2030 年硅基负极材料将占整个负极市场 30%以上，产值达到 1700 亿元，因此，本项目所开发的硅/碳杂化材料产业化后将会有巨大的市场前景并带来巨大的经济、社会效益。