圖1. 100多年前的鉛酸電池汽車和如今的Tesla鋰電池電動汽車
M. Armand and J.-M. Tarascon. Building better batteries. Nature 2008, 451, 652-657.
縱然爭議不絕于耳，但電動汽車已是大勢所趨！
電動汽車日益增長的市場需求極大地推動了鋰電池技術的快速發展， 高效的正極材料開發了不少，高效的負極材料也研究了很多。但是，電動汽車所需要的安全、高效、低成本的鋰電池依然缺乏。
其中一個關鍵原因在于，高效正極材料和高效負極材料的不匹配。
目前安全、高效的負極材料主要以Si、Sn等不含Li的材料為主（Si：4200 mAh g-1， Sn：990 mAh g-1， SiO：2670 mAh g-1），這種負極材料需要和含鋰的金屬氧化物組裝成全電池。由于鋰金屬氧化物正極材料容量普遍偏低（<200 mAh g-1），導致全電池能量密度整體偏低。
圖2. 多級結構Si/C負極材料
Nian Liu, Yi Cui et al. A pomegranate-inspired nanoscale design for large-volume-change lithium battery anodes. Nature Nanotechnology 2014, 9, 187–192.
目前高效、低成本的正極材料以不含Li的S、V2O5等材料為主（S：1672 mAh g-1， V2O5：441 mAh g-1）。與之搭配的常規鋰金屬負極材料雖然具有較高的理論容量（3860 mAh g-1），但是其高反應活性和不可控制的枝晶生長，帶來許多安全風險，并導致庫倫效率較低。除此之外，鋰金屬在空氣中非常不穩定，一些包裹策略也并不能徹底解決這個問題。
圖3. 多孔納米C/S正極材料
Xiulei Ji, KyuTaeLee and Linda F.Nazar. A highly ordered nanostructuredc arbon–sulphur cathode for lithium–sulphurbatteries. Nature Materials 2009, 8, 500 -506.
因此，開發高容量、高空氣穩定性、高循環壽命的含鋰負極材料，配套不含鋰的高容量正極材料，構建安全、高穩定性、高能量密度、高循環性能、低成本的鋰電池，具有重大現實意義！
“融合鋰電池領域關鍵的納米技術創新成果，利用Si負極納米技術和S正極納米技術組裝全電池。”崔屹去年在接受Science采訪時的話猶在耳邊.！
如今，他真的已經開始了星辰大海的征途！
有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組等人最新報道了一種鋰硅合金/石墨烯箔片負極材料，可與硫正極組裝成高效、穩定、壽命長的全電池！
圖4. LixM/graphene箔片基本結構示意圖
圖5. LixM/graphene箔片制備示意圖
這種材料由大面積石墨烯（層數<10層）包裹的LixM（M=Si, Sn或Al）合金納米顆粒致密堆積而成，容易實現規模化制備。LixSi/graphene箔片的體積容量可達到1800-2000 mAh cm--3，接近鋰金屬的理論容量（2061 mAh cm--3）。半電池循環400圈后容量保持率為98%（面積容量約2.4 mAh cm--2）。
圖6. LixSi/graphene材料表征
LixSi/graphene負極和高容量V2O5或S正極組裝成全電池，具有良好的空氣穩定性和循環性能，能量密度約500 Wh kg-1。
圖7. LixSi/graphene-S電池和Li-S電池性能對比
這種納米結構材料的特色在于：
1）大面積石墨烯起到物理保護隔離作用：石墨烯疏水和隔離氣體的特性，使得LixM納米顆粒具有良好的空氣穩定性。
2）石墨烯包裹起到限域作用：LixM納米顆粒在高導電性和化學穩定性的石墨烯基質中可以充分膨脹和收縮，具有良好的結構穩定性和循環穩定性。
圖8. LixSi/graphene材料穩定性
圖9. LixSi/graphene材料電化學性能
