武汉科技大学材料与冶金学院材料化学霍开富

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3月29日，我校省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、先进材料与纳米技术研究院霍开富教授团队的论文“Scalable synthesis of ant-nest-like bulk porous silicon for high-performance lithium-ion battery anodes”在《Nature Communications（自然通讯）》发表。

    该论文第一单位是武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，通讯作者为先进材料与纳米技术研究院霍开富教授，博士生安威力和副教授高标为共同第一作者，付继江教授、博士生项奔和梅士雄为共同作者。

    这是我校作为第一单位首次在该子刊发表论文。《Nature Communications》是自然出版集团2010年发行的子刊，是第一本完全在线的《自然》系列期刊，其发布严谨而颇具综合性并代表某一领域重大进展的研究论文，内容涉及自然科学所有领域，是国际“综合性期刊”领域的顶级杂志。

    该论文针对硅负极材料嵌锂过程中巨大体积膨胀导致的电极活性材料易粉化、循环稳定性差和电极膜厚度溶胀等问题，设计了一种新型类蚂蚁巢状的骨架结构多孔微米硅（AMPSi），并结合我校冶金背景，发展了一种气相去合金化制备类蚂蚁巢状多孔微米硅的新方法。

    原位透射电子显微镜研究表明，蚂蚁巢状的硅纳米骨架可在锂化/脱锂过程中可逆地膨胀/收缩而不粉化，并且硅的体积膨胀可通过周围的孔隙可逆地向内呼吸从而导致可忽略的颗粒水平外膨胀。蚂蚁巢状多孔硅集成了纳米级和微米级硅的内在优点，具有高容量、高振实密度、高循环稳定性和低体积膨胀等优点，其体积能量密度和综合电化学性能是目前文献所报导的最好水平。

（a）类蚁巢状多孔微米硅制备路线图，（b）蚂蚁巢的数码照片，（c）充放电过程小体积膨胀机理图

    锂离子电池在便携式电子器件、电动汽车、大规模储能、航空航天、国防军事等领域具有巨大技术和市场需求。随着下一代长续航、高安全电动汽车的发展，高比能动力电池的研发和产业化迫在眉睫，高能量密度的锂离子电池引起国内外学术及产业界高度关注。硅负极的理论储锂容量为3572 mAh/g，是现有商业化石墨负极的10多倍。此外，硅基材料还具有储量丰富和环境友好等优点，被行业公认为下一代锂离子电池负极材料的首选。工信部公布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2018年版)》中明确将硅碳负极材料列为国家关键战略材料。近年来，尽管硅基负极材料的研发取得了很大的进展，然而普遍存在硅的载量和面容量低，硅比表面积大、振实密度低、循环过程中电极膜溶胀大以及纳米硅制备工艺复杂，对设备要求苛刻等问题，限制了硅碳负极材料的商业应用。

    霍开富教授团队研发的新型锂离子电池硅基负极材料，具有成本低、易规模生产化和储锂性能优异等优点，极具应用价值和市场开发前景。

    先进材料与纳米技术研究院是我校“十三五”首批成立的六个多学科交叉重点科研基地之一。该研究院依托于“耐火材料与冶金国家重点实验室”和我校材料学、工程学等ESI世界前1%学科，以先进功能材料、能源材料、环境材料和超分子材料与纳米器件等研究为切入点，开展高水平的应用型基础研究。近年来，在《Adv. Mater.》(IF=21.950)、《Nano Energy》(IF=13.120)、《J. Mater. Chem. A》(IF=9.931)、《Nanoscale》(IF=7.233)、《Chem. Commun.》(IF=6.290)等学术期刊上发表了SCI一区论文20余篇。