近日，我院纳米所张海娇团队在材料领域的国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“A stress-buffering hierarchically porous silicon/carbon composite for high-energy lithium-ion batteries”的研究论文。

硅基负极材料凭借其超高理论容量、低锂化电位及丰富储量，成为突破锂离子电池能量密度瓶颈的关键材料。然而，其低的本征导电性和循环过程中巨大的体积变化通常导致电极材料的粉化和脱落及固体电解质膜不可控生长等问题, 进而影响电池的性能。虽然通过不同纳米结构的调控，在临界粒径下可一定程度上缓解机械应力并缩短离子扩散路径，但其容量衰减与循环稳定性仍面临着很大的挑战。

为了解决以上问题，团队基于有限元分析指导，采用微孔沸石分子筛ZSM-5作为硅源，结合镁热还原过程与共聚物导向的合成策略，构建了以多孔硅为核、氮掺杂介孔碳为壳的多级孔硅/碳复合材料。通过内外兼修的结构设计，所得电极材料实现了快速的锂离子传输动力学、高效的应力缓冲能力、低体积膨胀特性及优异的机械稳定性。相较于传统的核壳结构和纯的多孔硅电极，蛋黄壳结构的复合材料展示了优异的储锂性能，在0.2 A g^-1电流密度下经过300次循环仍能保持1769.8 mAh g^-1的高可逆容量，每圈的容量衰减率仅为0.016%。原位和非原位表征结果进一步证实，得益于富含氟化锂等无机相固体电解质膜的形成，该复合材料在电化学反应中表现出高度可逆的锂离子嵌入/脱出行为。此外，全电池测试表明所得材料具有良好的实际应用潜力。本研究通过对蛋黄壳结构与核壳结构材料电化学性能的综合评估，为如何有效平衡硅基材料在应力-应变条件下的结构稳定性与传输动力学行为提供了一些参考。

我校博士研究生程钟灵为本文第一作者，张海娇研究员和武汉理工大学苏宝连院士为通讯作者，并得到了华东师范大学刘月明研究员和岛津企业管理(中国)有限公司刘仁威博士的帮助和支持，上海大学为第一完成单位和通讯单位。

该工作获得了上海市科委科技创新行动计划和国家/教育部/上海市重点实验室开放课题等的资助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202505207