矽具備4200 mAh·g-1 的顯著高容量，並且儲備豐富，被認為是快速充電高能量密度鋰離子電池的替代負極候選者。
然而，矽負極由於其兩個關鍵的內在問題使矽的商業化受到了阻礙：
① 循環中的巨大體積膨脹（> 300％）可能導致結構粉碎，連續形成的固體電解質界麵層以及顆粒間電接觸的喪失，從而導致快速容量損失。
② 較差的電子電導率（~10-4 S m-1）嚴重阻礙電子傳輸，從而導致較差的倍率性能。
解決上述問題的最有效的策略是矽的納米化和隨後的碳複合。
南方科技大學機械與能源工程係趙天壽、韓美勝課題組在《Carbon Energy》期刊發表名為“Multilevel carbon architecture of subnanoscopic silicon for fast-charging high-energy-density lithium-ion batteries”即“用於快速充電的亞納米矽的多級碳結構”的論文，研究提出了一種亞納米矽多級碳結構：通過使用熱CVD將垂直石墨烯片錨定在亞微觀均勻分散的Si–C複合納米球的表麵上，隨後通過高溫碳化將其嵌入碳基體。
在亞納米矽多級碳結構的負極中，Si–C納米球中的亞納米C、VGS和碳基體形成三維導電和魯棒網絡，顯著提高了電導率並抑製了Si的體積膨脹，從而促進了電荷傳輸，提高了電極穩定性。
亞納米矽多級碳結構在工業電極條件下表現出優異的儲鋰性能。在半電池中，亞納米矽多級碳結構提供高容量（1279.6 mAh·g−1），卓越的速率能力（在20 A·g −1電流密度下具有676.4 mAh·g−1的容量），以及高容量保持率（在5A·g-1的電流密度下循環1000次後容量保持率為81.3%）。值得一提的是，全電池表現出卓越的快速充電能力，具有高能量密度和長循環壽命。
亞納米級矽複合材料製備
乙烯可以阻止Si-Si鍵的形成，同時形成多個Si-C鍵，最終促使在熱分解過程中形成亞納米尺寸的Si團簇。研究員采用乙烯作為矽烷熱分解過程中的顆粒生長抑製劑，製備了亞納米尺寸的矽負極。與純矽烷分解不同，在純矽烷分解過程中矽顆粒是不斷增大的；而乙烯與矽烷反應，形成Si-C的鍵能有效保持亞納米顆粒尺寸。Si-C鍵的形成有助於生成結構穩定的微晶SiC基體，這不僅防止了自然SiO2層的形成，而且有助於在長期循環過程中保持C-Si層形態完整性。
利用複合氣體（SiH4和C2H4）通過化學氣相沉積的方法製備鑲嵌在穩定的碳化矽和非晶碳雙重基體（SiC/a-C基體）中的亞納米級Si（<1 nm）層狀結構（簡稱CSI層）。CSI層覆蓋了碳質支撐骨架，該電極材料的可控容量超過1262 mAh·g-1，庫侖效率為90.0%，且電解質界麵沒有任何裂紋或粉化，表現出優異的循環穩定性。亞納米級的矽負極在循環50次後仍具有99.96%的庫倫效率。
