傳統石墨負極的容量和倍率性能正逐漸不能滿足人們的需求。硅作為地殼中最豐富的的元素之一，同時還擁有極高的理論容量（4200 mA h g-1），目前已開始逐漸商業化應用。但是，Si循環過程中極大地體積膨脹和較差的導電性還沒有完全解決，導致商用負極中Si的比例還較低，遠沒有發揮Si基電極的全部潛力。

近日，南京工業大學的劉祥教授及其團隊提出構建Si/SiC/石墨三層異質結結構，實現了納米級Si在石墨上的錨定，減緩了Si的團聚，大大提高了電極的電化學性能，為后續Si電極的研發提供了一條行之有效的設計思路。

目前LIBs電池中已經開始逐步應用Si基負極。但是由于Si在充放電過程中的體積膨脹過大，容易引起電極材料的粉化、SEI膜的反復形成，最終導致電機容量的快速衰減，所以商業應用的Si基負極中Si的比例還極低，遠沒有完全發揮Si的高容量特性。針對這一問題，目前主流的思路是將Si縮減至納米尺度。但這又會引起另一問題，便是首效僅有約65–85%，遠低于石墨負極（90-95%）。Si/石墨復合材料可以同時具有Si和石墨的特性，同時實現高循環壽命和高首效。然而由于在基平面上sp2雜化的炭原子與沉積顆粒相互作用力很小，Si顆粒很難均勻的附著在石墨上。

本文作者針對這一問題，僅在650℃的鎂熱還原反應下，生成了SiC界面，原位的在石墨基平面上錨定了Si納米顆粒。通過調節SiO2和石墨的比例，可以輕松的實現界面反應。當SiO2和石墨摩爾比為0.33-0.5時，Si可以在較低溫度下便形成3C-SiC界面。結構表征揭示了片狀Si粒子與3C-SiC界面在基面分布良好。第一性原理顯示在Si（111）/3C-SiC（111）和3CSiC（111）/GNs（001）兩個界面有較強的結合力。第一性原理計算還顯示Si與石墨的界面之間結合力極差，這也證實了Si在石墨上極容易發生剝落，導致比容量衰減。電化學測試也表明，通過三相異質結結構，初始容量可以高達97.8%。并且在0.1 A g-1的電流密度下容量保持率高達82.9%。

總的來說，本文作者利用鎂熱反應自身放熱，在較低溫度便實現了SiC界面的產生，并利用Si/SiC/石墨三相界面，將Si顆粒均勻的錨定在石墨上。通過第一性原理等對其界面結合力進行了詳細的分析，為后續Si/石墨電極的研發提供了大量參考指導。

圖1 Si/GNs復合異質結結構制備與結構示意圖。

圖2 不同Si/石墨比例樣品的XRD、拉曼、SEM圖。

圖3 Si/GNs-0.33的透射電鏡分析。

圖4 （a） Si在石墨（001）面上的弛豫結構示意圖；（b） Si在SiC（111）面上的弛豫結構示意圖；（c） SiC在石墨（001）面上的弛豫結構示意圖。

圖5 半電池電化學測試結果。

圖6 全電池電化學測試結果。