DOI: 10.1016/j.carbon.2022.11.100

富硅负极有望充分利用锂离子电池（LIBs）的能量容量，以将其推向关键市场。本研究使用同轴静电纺丝装置制备了具有纳米纤维嵌套微纤维结构的新型富硅复合负极。高硅含量的聚乙烯醇（PVA）溶液作为中心流，将硅纳米颗粒结合到短的、分支复合纳米纤维中。由鞘液中供应的聚丙烯腈（PAN）制成的长的、延性微纤维将这些纳米纤维包裹住。碳化后，将接收的碳/硅复合材料作为LIBs负极进行测试，其中富硅纳米纤维承载了大部分锂离子，而其源自PVA的薄碳表层促进了导电性和电荷转移。外部PAN衍生微纤维为那些封装的富硅纳米纤维提供了所需的结构支撑，使最终的复合材料也是一个集成的三维集电器。纳米纤维形态及其之间的空隙有助于解决锂化/脱锂过程中严重的体积膨胀问题。新型复合材料在其纳米纤维嵌套微纤维的构型方面得到了证实。硅含量为40%时，这种独特的纤维负极材料通过有效地平衡与富硅负极相关的一些主要挑战，在50至250次循环期间实现了约900mAh/g的特定容量和90%以上的容量保持率。

图1.纳米纤维嵌套微纤维复合纤维垫的同轴静电纺丝制备过程示意图（a）以及3D负极结构示意图，其中碳化前后的PAN微纤维中含Si/PVA纳米纤维束（b）。

图2.原始Si/PVA比例为1:3（或25wt%）的PVA/Si/PAN纤维的SEM（a,b）、TEM（c）和EDS元素映射（d）。图d显示用红色虚线勾勒的微纤维的边界。

图3.Si/PVA比例为（a）1:3、（d）2:3和（g）3:3的PVA/Si复合纳米纤维的SEM图像；以及低放大倍率（b,e,h）和高放大倍率（c,f,i）下的碳化对应物。

图4.（a）原始Si/PVA比为1:3的PVA/Si/PAN纤维碳化前后的EDS定量分析。（b）不同C/Si比的C/Si纤维的TGA分析。

图5.C/Si复合纳米纤维的XPS分析：（a）PVA/Si/PAN和PVA/Si复合纤维的全扫描；（b-d）PVA/Si/PAN纤维中N1s（b）和Si2p（c）的详细扫描。提供PVA/Si纳米纤维的Si2p光谱（d）用于比较。在图（b-d）中，蓝点是原始XPS数据，黑线是整个光谱的拟合曲线，其他颜色的曲线表示指定基线或特定峰。

图6.（a-c）硅比为25%（a）、40%（b）和50%（c）的纳米纤维嵌套微纤维复合负极在第1、第2、第10、第50和第100次恒电流充电/放电循环期间的电压分布。不同Si含量的PVA/Si/PAN纤维的不同充电速率（d）、循环性能和库仑效率（e）。

图7.（a）由纳米纤维嵌套微纤维富硅复合材料（40wt%）构成的电池的EIS奈奎斯特图和相应的等效电路拟合：新鲜和250次循环后；（b）循环复合纤维负极的SEM图像。阻抗谱的电压振幅为5mV，频率范围为0.01Hz-100kHz。