提高电池电极的稳定性和快速充电能力在电池技术领域至关重要。硅（Si）以其高比容量而闻名，已成为一种很有前途的负极候选材料。然而，硅基负极有限的结构稳定性和电子/离子导电性引起了人们的广泛关注，包括断裂和不稳定固体电解质界面（SEI）层的连续形成，导致容量快速衰减。

近期，南方科技大学曾林副教授团队提出了一种综合性的方法，即结合静电纺丝、磁控溅射和化学气相沉积（CVD）技术来制备无粘合剂、独立负极电极纸。开发的电极纸包含氮掺杂垂直石墨烯纳米片（VGs）3D互连网络，该网络将多孔碳纤维（PCFs）与均匀分布的硅纳米颗粒连接起来（VGs@Si@PCFs）。制备的VGs@Si@PCFs纸有效地解决了与硅负极相关的常见机械和化学稳定性问题。VGs@Si@PCFs负极在 0.1A/g下的可逆容量高达2205mAh/g，并表现出优异的循环性能，3000次循环后在1.0A/g下的容量保持率为83.5%。该设计利用纳米多孔碳纤维和氮掺杂垂直石墨烯纳米片作为柔性导电载体，增强了电极的坚固性和柔性。此外，机械建模显示，与无孔情况相比，多孔VGs@Si@PCFs结构中的总Mises应变明显较低，有望最大限度地减少低循环疲劳。本研究开发的独立Si/C复合负极引入了一类新型低应变硅基材料，其具有显著提高的稳定性和快速充电能力。

图1.通过静电纺丝、磁控溅射和化学气相沉积方法合成VGs@Si@PCFs复合负极的示意图。

图2.VGs@Si@PCFs的形貌表征。

图3.a）VGs@Si@PCFs、Si@PCFs、PCFs和CFs的XRD图谱和b）拉曼光谱。c）VGs@Si@PCFs和VGs@Si@CFs在大气环境中的TGA曲线。d）VGs@Si@PCFs中Si2p和e）N1s的高分辨率XPS光谱。f）VGs@Si@PCFs、Si@Cu和Si NPs的LiPF6电解质接触角。g）VGs@Si@PCFs、VGs@Si@CFs、Si@PCFs、Si@CFs、PCFs和CFs的电导率。VGs@Si@PCFs在h）静电纺丝、i）碳化、k）溅射Si和j）CVD过程中的数字图像。

图4.VGs@Si@PCFs的电化学性质：a）VGs@Si@PCFs纸电极前三个循环的CV曲线，扫描速率为0.1mV/s。b）在第1次、第100次、第200次、第300次和第500次循环中，当电流密度为0.1A/g时，VGs@Si@PCFs电极在3.0至0.005V（vs Li+/Li）范围内的充电和放电曲线。c）VGs@Si@PCFs、VGs@Si@CFs和Si@Cu电极在0.1A/g的电流密度下的循环性能。d）VGs@Si@PCFs、VGs@Si@CFs和Si@Cu电极的倍率性能；和e）VGs@Si@PCFs电极在不同电流密度下的相应充电/放电曲线。f）VGs@Si@PCFs、VGs@Si@CFs和Si@Cu电极在1.0A/g的高电流密度下的循环性能。g）VGs@Si@PCFs电极在不同质量负载下的循环性能。

图5.Li-Si反应机理探讨：a）VGs@Si@PCFs电极在不同扫描速率下的CV曲线。b）阴极和阳极峰的b值测定。c）VGs@Si@PCFs电极在不同扫描速率下的电容控制和扩散控制贡献。d）GITT曲线和根据GITT曲线计算的VGs@Si@PCFs电极的DLi⁺。f）不同循环下的非原位EIS。g）VGs@Si@PCFs电极的典型充电/放电曲线和原位EIS，h）原位XRD图谱，以及i）原位拉曼光谱。

图6.锂化过程中VGs@Si@PCFs的动态结构演化。

该工作以“3D Binder-free nanoarchitecture design of porous Silicon/graphene fibers for ultrastable lithium storage”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（DOI:10.1016/j.cej.2023.147101）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147101