锂离子电池因高能量密度广泛应用于移动电子设备及运输工具等二次能源领域。目前的商用负极很难满足高能量密度的要求，而新型负极材料在循环过程中存在严重的体积膨胀和低导电率的瓶颈问题，严重影响电池循环寿命。本课题组在锂离子电池负极领域探索多年，针对电极材料在储能过程中体积涨缩造成的粉化失效，结合等离子体物理及化学控制反应，设计合成碳约束纳米结构，为活性材料结构约束和有效电荷转移提供解决方案。近年来科研成果已在国际核心杂志发表多篇学术论文（Nano Energy, 2017, 31:74-83；ACS Nano, 2018, 12, 8037-8047; Mater. Today Energy, 2020, 17, 100439-100447; Applied Surface Science , 2021, 550(32):149247等）。
硅基负极材料由于其储量丰富、高的理论比容量和较低的工作电位是下一代高能量密度锂离子电池的理想负极。但硅基材料在室温下α-Si和α-LixSi之间的两相锂化机制，是导致硅基材料产生巨大体积膨胀的原因。针对硅基负极材料体膨胀严重，压实密度和首次库伦效率低的瓶颈问题，本团队提出利用二氧化硅壳层保护FeSi2-Si共晶纳米颗粒的新核壳结构（图1），由SiOx封装的FeSi2-Si共晶纳米粒子在500次充放电循环后表现出674.9 mAh g-1的优异容量且容量保持率90%以上。这项工作为锂离子电池高性能硅基负极材料长效循环提供了解决方案。为了进一步缓和小尺寸纳米硅锂化时体积膨胀而引发的材料粉碎和不稳定的固体电解质膜，本团队利用高能等离子体将硅靶材蒸发为气态硅，在一定的温度梯度下凝聚成非晶硅包覆硅纳米颗粒，精准控氧钝化过程中，非晶硅氧化成氧化亚硅，形成氧化亚硅包覆纳米硅的独特复合纳米结构。研发的高比能硅/碳负极材料在0.1C下比容量可达到1000 mAh/g以上，在1C下比容量可达到800 mAh/g以上，并稳定循环1200圈（图2）。高比能硅/碳负极材料因其首效和循环寿命均高于市场上硅碳负极材料，被公认为下一代负极材料的理想路线。上述相关成果发表在Mater. Today Chemistry, 2021, 21: 100540等国内外知名期刊上。
图1. SiOx封装FeSi2-Si共晶纳米粒子的形貌和成分表征[1]
图2. (a) 硅结构示意图；(b) 高比能硅/碳电化学性能
产业化成果：
本团队利用等离子体物理制备方法合成硅基合金高性能纳米负极材料，实现硅基合金高性能纳米粒子量产技术。与宁波广新纳米材料有限公司合作进行硅合金负极材料研发，已研制出0.1 A/g下比容量为1400 mAh/g，循环500圈的硅合金电极材料，预计可将硅基合金纳米电极材料的成本控制在17万/吨以下；与主流汽车厂商针对高比能硅/碳负极材料进行联合中试，设计开发的高比能硅/碳负极材料与无钴富锂锰基正极材料组装成全电池，测得0.1 C的电流密度下其最大能量密度可达440 Wh/kg, 且此高比能硅/碳负极材料可将生产成本降至15万元/吨（商用32万元/吨）。预计经历两年左右的认证周期和生产放量后，此款高比能硅/碳负极材料将步入产业化进程，并规模化应用到电动汽车领域。
图3. 高比能硅/碳负极材料规模化量产装备
代表性论文与专利：
[1] Qiu Z, Wu A, Jin X, et al. SiOx encapsulated FeSi2–Si eutectic nanoparticles as durable anode of lithium-ion batteries[J]. Materials Today Chemistry, 2021, 21: 100540.
[2] H. Huang*, S. Gao, A. M. Wu, K. Cheng, X. N. Li, X. X. Gao, J. J. Zhao, X. L. Dong, G. Z. Cao. Fe3N Constrained Inside C Nanocages as an Anode for Li-Ion Batteries Through Post-Synthesis Nitridation. Nano Energy, 2017, 31, 74-83.
[3] X. Z. Jin, H. Huang*, A. M. Wu, S. Gao, M. K. Lei, J. J. Zhao, X. X. Gao, G. Z. Cao. Inverse Capacity Growth and Pocket Effect in SnS2 Semifilled Carbon Nanotube Anode. ACS Nano, 2018, 12, 8037-8047.
[4] Paredes Camacho, RA; Wu, AM; Jin, XZ; Dong, XF; Li, XN; Huang, H. Effective carbon constraint of MnS nanoparticles as high-performance anode of lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2019, 437: 226931.
[5] Jin XZ; Tian RX; Wu AM; Xiao YD; Dong XF; Hu FY; Huang H. Lithium-ion storage in molybdenum phosphides with different crystal structures. Dalton Transactions, 2020,49, 2225-2233.
[6] 黄昊;余洁意; 高嵩;高扬;董星龙;吴爱民.一种摻杂纳米硅材料的制备方法及其在光超级电容器领域的应用.发明专利ZL201510796885.5 [P]. 2018.06.15.(已授权)