成果简介
在电池技术领域，提高电池电极的稳定性和快速充电能力至关重要。硅（Si）以其高比容量而闻名，已成为一种很有前途的阳极候选材料。然而，硅基阳极有限的结构稳定性和电子/离子传导性引起了人们的极大关注，包括断裂和持续形成不稳定的固电解质相间层（SEI），从而导致容量快速衰减。本文，南方科技大学曾林 副教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“3D binder-free nanoarchitecture design of porous silicon/graphene fibers for ultrastable lithium storage”的论文，研究介绍了一种利用电纺丝、磁控溅射和化学气相沉积（CVD）技术相结合的综合方法来制造无粘结剂和独立阳极电极纸的方法。所开发的电极纸结合了氮掺杂垂直石墨烯纳米片（VGs）的三维互连网络，将多孔碳纤维（PCFs）与均匀分布的硅纳米颗粒（VGs@Si@PCFs）连接起来。制备的 VGs@Si@PCFs 论文有效地解决了硅阳极常见的机械和化学稳定性问题。
VGs@Si@PCFs 阳极在 0.1 A g-1 的条件下显示出 2205 mAh g-1 的显著可逆容量，并表现出优异的循环性能，在 1.0 A g-1 的条件下，循环 3000 次后容量保持率为 83.5%。该设计利用纳米多孔碳纤维和掺氮垂直石墨烯纳米片作为柔性导电支撑，增强了电极的坚固性和灵活性。此外，机械建模显示，多孔 VGs@Si@PCFs 结构中的整体米塞斯应变与无孔结构相比明显较低，这有可能最大限度地减少低循环疲劳。我们的独立式硅/碳复合阳极引入了一类新型低应变硅基材料，显著提高了稳定性和快速充电能力。
图文导读
图1.通过静电纺丝、磁控溅射和化学气相沉积法合成VGs@Si@PCFs复合阳极的示意图。
图2.VGs@Si@PCFs的形态学特征
图3. a) VGs@Si@PCFs、Si@PCFs、PCFs 和 CFs 的 XRD 图样和 b) 拉曼光谱。f) VGs@Si@PCFs、Si@Cu 和 Si NPs 在 LiPF6 电解液中的接触角。g) VGs@Si@PCFs、VGs@Si@CFs、Si@PCFs、Si@CFs、PCFs 和 CFs 的电导率。h) 电纺丝、i) 碳化、k) 溅射 Si 和 j) CVD 过程中 VGs@Si@PCFs 的数字图像。
图4、 VGs@Si@PCF的电化学特性VGs@Si@PCF的电化学特性
图5. 锂-硅反应机制探索
图6. 锂化过程中 VGs@Si@PCFs 的动态结构演变
小结
总之，本研究提出了一种综合方法，通过利用电纺丝、磁控溅射和 CVD 技术，为 LIB 制作无粘结剂且独立的阳极电极纸。三维 VGs@Si@PCFs 纸电极由氮掺杂垂直石墨烯纳米片（VGs）的三维互连网络组成，该网络连接多孔碳纤维（PCFs）和均匀分布的硅纳米颗粒（VGs@Si@PCFs）。PCFs 提供了一个弹性缓冲器，以适应锂插入/抽出过程中的体积变化，从而提高了长时间循环的稳定性。磁控溅射将非晶硅颗粒引入 PCFs 基体中，从而形成了双连续结构，硅颗粒尺寸减小，硅/PCFs 的界面接触面积增大，从而提高了速率能力。
利用化学气相沉积（CVD）技术在 Si@PCFs 表面合成了掺氮的 VGs，显著改善了电接触和电子导电性。由此制备的 VGs@Si@PCFs 阳极表现出卓越的电化学性能。在 0.1 A g-1 的条件下，其可逆容量达到 2205 mAh g+-1；在 1 A g-1 条件下循环 3000 次后，其容量保持率为 83.5%，表现出卓越的循环性能。纳米多孔碳纤维和掺杂 N 的垂直石墨烯纳米片提供了柔性导电支撑，增强了电极的坚固性和灵活性。此外，机械建模表明，多孔 VGs@Si@PCFs 结构中的整体应变明显降低，有可能将低周期疲劳降至最低。总之，这些发现凸显了所提出的无粘结剂 Si/C 复合阳极的有效性，它引入了一类新的低应变硅基材料，具有显著提高的稳定性和快速充电能力，有助于开发高性能 LIB。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147101
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