1.高能量密度硅碳负极锂离子电池

    锂离子电池自20世纪70年代问世以来发展迅速，目前已被广泛应用于便携式电子设备、交通工具、储能电站及航空航天等领域。在各种锂离子电池负极材料中，石墨负极占据了主要市场。但石墨在锂电池中的理论容量只有372 mAh g^-1，已经不能满足人们现在对于高容量，高能量密度的要求。硅因其理论容量高达4200 mAh g-1吸引了人们的注意，而且硅具有较低的电压平台（～0.4 V vs. Li/Li⁺），在脱/嵌锂时没有析锂隐患，提高了锂离子电池的安全性，被认为是最具发展潜力的锂离子电池负极材料。

    但是硅仍然存在一些限制应用的障碍，主要是硅在脱/嵌锂过程中的巨大体积变化（＞300%）、电导性差和形成不稳定的固相电解质层（SEI）等问题。基于硅的以上缺点，人们开始研究硅与碳的复合材料，其中碳包覆硅复合材料的研究成果颇为丰硕。碳包覆硅颗粒，能够缓解硅负极材料巨大的体积变化，构建导电网络，提升导电性能。 

    本课题组专注于Si/C，SiOC等高容量负极材料的设计、制备及工作机理研究，已在Si材料可控合成、硅碳复合等领域取得了较好的研究进展。

图1. 由Zintl相层状化合物CaSi₂制备具有优异循环稳定性能的二维Si基纳米片电极的示意图、电镜图和电池循环性能。

图2 [Si₆Cl₁₄]^2-阴离子团簇分别和Mg₂Si、Mg粉在一定条件下反应生成多孔Si的示意图及相关材料的物理表征和电化学性能测试。

2.高能量密度锂硫电池

    锂硫电池具有高理论能量密度(2600 Wh/kg)和低成本等优点，是最具发展潜力的下一代新型电池体系之一。然而，其商业进程仍然受到多方面限制。一方面，锂硫电池中存在复杂的多相反应，在充放电过程中需要克服多个反应能垒，并且中间产生可溶性多硫化锂（Li₂S_n，2<n≤8）在浓度梯度驱动下产生穿梭效应，导致电池容量下降快，寿命低。另一方面，液固转化作为其中反应动力学的决速步需要克服较大的反应能垒，造成实用条件下的动力学缓慢。

    本课题组专注于高性能固硫正极材料的设计以及多相协同催化剂（缺陷调控、异质结、高熵等）的设计、制备及机理探索，旨在开发具有实用性的高能量密度锂硫电池。

图3 高性能固硫正极材料的设计、制备。