鋰離子電池作為目前主要的儲能技術之一，為新興的便攜式電子設備和電動汽車提供主要動力。為了滿足市場需求🧑🏼‍🔧🤾🏽，開發兼具長循環壽命和高功率的高能量密度鋰離子電池迫在眉睫。然而🧗🏿⚅，鋰離子電池負極尤其是高容量負極材料，在鋰化/去鋰化過程中伴隨巨大體積膨脹/收縮變化🙉，引起材料的嚴重粉碎🙌🏼，導致電池的不可逆容量損失，同時也使得電池在循環性能和倍率性能上的嚴重劣化。為了解決電極粉化的問題，當前大多數研究中都將機械性能優良🫸🏻、導電性好的石墨碳作為負極材料的柔性基體👴🏼。但是，石墨碳（~372 mAh g^-1）的理論容量較低，高含量碳的引入會大大降低電池容量和能量密度，從而極大地限製了其在電動汽車中的實際應用💂‍♀️。降低負極材料中的碳含量是提高能量密度的一個有效方法。然而，構築低碳含量🧔🏿‍♂️🤭、同時具有抗粉化性能的負極材料極具挑戰，我校化學科學與工程學院楊金虎教授課題組致力於鋰離子電池的開發應用💊🫰🏼，積極應對挑戰，攻關研究👩🏼‍🚒。
      近日🙍🏼，該課題組與復旦大學的彭慧勝教授密切合作，在鋰離子電池負極材料抗粉化研究中取得了重要進展。相關研究成果以“Antipulverization Electrode Based on Low-Carbon Triple-Shelled Superstructures for Lithium-Ion Batteries”為題在線發表在國際材料科學著名期刊《Advanced Materials》（2017, DOI: 10.1002/adma.201701494🌋⛹🏿‍♂️，影響因子為19.79）上，該課題組博士研究生祖連海為論文第一作者。

      研究者利用納米組裝技術🏇🏼，將多種納米結構基元（納米點，納米棒）逐層組裝形成低碳含量（4.83%）的SnO₂三殼層中空結構和高含碳量（35.1%）的SnO₂雙殼層中空結構（上圖）。發現低碳三殼層中空結構在嵌鋰過程中可以承受高達約231.8%的巨大體積膨脹率，即使在1450次循環後仍然能輸出高達1099 mAh g^-1可逆比容量；而高碳雙殼層結構在循環中會很快坍塌👩🏿‍⚖️，性能大大衰減。原位透射電子顯微鏡表征和力學模擬表明，三殼層結構在鋰化/去鋰化鋰時具有特殊的自協同結構保持機製，保護結構不會崩塌🏮，並保證電極材料在長循環過程中的結構完整性🧑‍🍳。具體來說，外殼層在鋰化過程中充分鋰化✍🏻，防止內殼層的過鋰化和結構塌陷；反過來，在去鋰化過程中，低鋰化的內殼層作為堅固的內核，以支撐外殼層的巨大體積收縮應力👭🏼，避免外殼層坍塌；同時，具有豐富孔隙的中間殼層在鋰化和去鋰化過程中提供足夠的空間來適應外殼層的體積和應力變化。這項研究為開發實用、高能的鋰離子電池開辟了新途徑。
      該研究獲得了國家和上海自然科學基金、上海東方學者計劃、恒达平台青年百人計劃🧑🏼‍🦰💸、上海創新重點項目等的支持，同時得到了恒达平台航空航天力學學院賀鵬飛教授🙋🏿‍♂️、西安交通大學陳凱教授、浙江師範大學蘇慶梅副教授、香港科技大學楊世和教授等科研團隊的合作與支持🚣🏻。