硅負(fù)極材料因其極高的理論比容量（約4200 mAh/g，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)石墨負(fù)極的372 mAh/g）而被視為下一代高能量密度鋰離子電池的理想選擇。硅在充放電過(guò)程中劇烈的體積膨脹（可達(dá)300%以上）會(huì)導(dǎo)致電極材料粉化、固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）不穩(wěn)定和循環(huán)性能快速衰減，嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。針對(duì)這一關(guān)鍵難題，中國(guó)科學(xué)院院士李玉良教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近期在國(guó)際知名能源期刊《Nano Energy》上發(fā)表了創(chuàng)新性研究成果，通過(guò)原位構(gòu)筑三維石墨炔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提升了硅基負(fù)極的電化學(xué)性能。

該團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于巧妙地利用石墨炔這一新型碳材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。石墨炔是一種由sp和sp2雜化碳原子構(gòu)成的二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有天然的孔洞、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的電子導(dǎo)電性。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種原位生長(zhǎng)策略，在硅納米顆粒表面直接構(gòu)建起連續(xù)、互穿的三維石墨炔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這種三維結(jié)構(gòu)不僅為硅顆粒提供了穩(wěn)固的機(jī)械支撐和高效的電子傳輸通道，其豐富的孔道還有利于電解液的充分浸潤(rùn)和鋰離子的快速遷移，并能夠有效緩沖硅在嵌鋰/脫鋰過(guò)程中的體積變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種原位構(gòu)筑的三維石墨炔/硅復(fù)合材料表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能：

1. 高比容量與優(yōu)異倍率性能：材料在0.1 A/g的電流密度下展現(xiàn)出高達(dá)2000 mAh/g以上的可逆比容量。即使在2 A/g的大電流下循環(huán)，仍能保持約1200 mAh/g的穩(wěn)定容量，顯示出出色的倍率性能。
2. 超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性：在1 A/g的電流密度下循環(huán)500次后，容量保持率超過(guò)80%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的碳包覆硅復(fù)合材料。這得益于三維石墨炔網(wǎng)絡(luò)像“彈性籠”一樣束縛和緩沖硅顆粒，維持了電極結(jié)構(gòu)的完整性。
3. 穩(wěn)定的界面特性：三維石墨炔網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了均勻、致密且穩(wěn)定的SEI膜的形成，減少了活性物質(zhì)與電解液的副反應(yīng)，從而提升了庫(kù)侖效率和循環(huán)壽命。

此項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)下一代高性能鋰離子電池及更廣泛的儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)極材料提供了全新的思路。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控石墨炔的微觀結(jié)構(gòu)和與活性物質(zhì)的界面結(jié)合，原位構(gòu)筑的三維導(dǎo)電骨架策略有望推廣至其他存在巨大體積變化的電極材料體系（如錫、鍺、磷等），推動(dòng)高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。李玉良院士團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作，再次凸顯了石墨炔這一中國(guó)原創(chuàng)材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。