圖1. 利用納米碳三維導電網絡構筑高性能鋰離子電池電極材料示意圖。

圖2. 石墨烯三維導電網絡結構復合電極材料： (a)簡單共混法；(b) “雙重保護”法；(c) 層-層組裝法。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學所分子納米結構與納米技術院重點實驗室的研究人員，利用“納米碳三維導電網絡”進行理性電極材料結構設計，大幅提高了多種納米結構正、負極材料的電化學性能，取得系列進展（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2512； Energy. Environ. Sci.2012,5,5221；Adv. Energy Mater.2012,2,1086；Chem. Commun.2012,48,2198；Chem.Commun.2012,48,10663；J. Mater. Chem.2012,22, 17456；ACS Appl. Mater.Interfaces,2012,4,2824；ACS Appl. Mater. Interfaces,2012,4,4858；Phys. Chem. Chem. Phys.2012,14,2934）。并應美國化學會的Accounts of Chemical Research期刊邀請，撰寫了題為Nanocarbon Networks for Advanced Rechargeable Lithium Batteries的綜述文章，系統介紹了納米碳三維導電網絡結構電極材料在高性能鋰離子電池及未來高比能金屬鋰二次電池（鋰-硫電池和鋰-空氣電池等）中的應用和發展前景（Acc. Chem. Res. 2012, 45, 1759）。
 
該課題組研究人員長期致力于高效、穩定的高容量、高倍率鋰離子電池電極材料研究（Adv.Mater.2008,20,2878；Adv.Mater.2008,20,1160；Adv. Mater.2009,21,2710；Adv.Mater.2010,22,4591；Adv. Mater.2011,23,4415；Energy. Environ. Sci.,2011,4,1634）。通過系統研究，他們發現各種納米碳結構單元（納米碳顆粒、納米碳管、石墨烯、納米多孔碳等）形成的具有納米通道的三維導電網絡，不但可以有效分散活性電極材料納米顆粒、防止其團聚，還可以高速輸送鋰離子和電子到每個活性納米顆粒表面，從而真正發揮納米結構電極材料的動力學優勢，開發出兼具高容量和高倍率性能的鋰離子電池電極材料（圖1）。
 
在這一思想指導下，研究人員在利用石墨烯構筑三維導電網絡結構電極材料方面取得系列進展，開發了多種高效組裝方法，構筑出多種穩定的高性能納微復合結構正、負極材料。1.他們發現，利用NMP為分散劑可通過簡單共混實現石墨烯與三元正極材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3 O2（LMNC）納米顆粒或有機自由基聚合物（PTMA）的均勻復合（圖2 (a)），從而顯著提高材料的動力學性能（Phys. Chem. Chem. Phys.,2012, 14, 2934；Energy. Environ. Sci., 2012, 5, 5221）。2.在高容量合金負極方面，開發出一種通過結合冷凍干燥與熱還原法將硅納米顆粒嵌入到石墨烯之間的制備方法（Chem. Commun., 2012, 48, 2198）。他們還巧妙利用Si納米顆粒和氧化石墨烯的表面帶負電的性質，以帶正電荷的聚合物電解質為媒介，發展出一種靜電力層層組裝技術用于制備Si/石墨烯納米復合負極材料的方法。利用該法可實現Si納米顆粒的高效石墨烯包裹，從而大幅提高其循環性能和倍率性能（Adv. Energy Mater.,2012, 2, 1086）。3.最近，他們還提出雙重保護設計理念用于高容量合金負極材料（圖2 (b)），即聯合利用核殼結構的納米碳殼和石墨烯三維網絡來解決高容量電極材料的體積膨脹、表界面和動力學問題，研制出具有優異循環性能和倍率性能的Ge@C/石墨烯納米結構復合負極材料。（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2512）。