四川大学王延青团队：3D导电网络硅-碳纳米管复合阳极增强锂离子电池性能
四川大学王延青团队：3D导电网络硅-碳纳米管复合阳极增强锂离子电池性能
锂离子电池作为当今最主流的储能设备之一，在新能源汽车、便携式电子设备等领域发挥着重要作用。然而，其性能仍面临诸多挑战，如能量密度不足、循环寿命短等。针对这些问题，四川大学王延青课题组在国际知名期刊ACS AMI上发表了一篇题为“Enhancing Lithium-Ion Batteries with a 3D Conductive network Silicon-Carbon Nanotube Composite Anode”的研究论文，提出了一种新型3D导电网络硅-碳纳米管复合阳极材料，为提升锂离子电池性能提供了新的思路。
多孔球形Si/MWCNT@C材料的大规模化合成及自支撑电极的制备
硅是下一代负极材料的理想候选者，具有高理论比容量（约4200 mAh g-1）、适当的工作电压窗口和令人满意的寿命。然而，硅纳米颗粒在循环过程中存在电导率低和体积膨胀（高达300%）的问题，严重制约了其实际应用。为了解决这一难题，研究团队采用喷雾干燥法制备了多孔球形Si/MWCNT@C负极材料。具体步骤如下：
- 将纳米硅粉、蔗糖、多壁碳纳米管分散液和CMC水溶液按一定比例混合，并通过超声和搅拌处理，确保均匀分散。
- 利用喷雾干燥机将混合物干燥成前驱体微球。
- 在氩气气氛下，通过高温煅烧使其转化为最终的微球形Si/MWCNT@C材料。
所制备的材料被命名为CNTxSiyCz，其中x、y和z分别表示多壁碳纳米管、硅纳米颗粒和蔗糖的添加量。进一步地，将所制备的Si/MWCNT@C材料与单壁碳纳米管混合，通过抽滤一步制备得到自支撑电极。
多孔球形Si/MWCNT@C材料形貌结构分析
通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，经过喷雾干燥及高温热解后，三组样品（CNT0.25Si2C2、CNT0.5Si2C2、CNT0.75Si2C2）均呈现出微球状结构。微球表面的多孔结构不仅增加了电解液的浸润面积，还缩短了Li+的扩散路径，有利于快速进行电化学过程。透射电子显微镜（TEM）测试显示，硅与MWCNT复合良好，颗粒表面存在薄薄的无定形碳层，有助于促进MWCNT与硅颗粒之间的结合。
图2：形态结构表征（a） CNT0.25Si2C2、（b） CNT0.5Si2C20.75Si2C2 的 SEM 图像显示了多孔微球内密集堆积的 Si 纳米颗粒和 MWCNT;（d） TEM，（e） HRTEM，（f） IFFT 图像，（g） 选定的衍射图样和 （h） CNT0.5Si2C2 的 EDS 映射。
多孔球形Si/MWCNT@C材料理化性质分析
X射线衍射（XRD）结果显示，所有样品均在大约21.99°、28.45°、31.45°和36.1°处表现出Si和SiO2的特征衍射峰。拉曼光谱分析表明，材料中的碳主要以无定形状态存在。X射线光电子能谱（XPS）进一步证实了材料表面存在C、O和Si的信号。氮气吸附/脱附实验显示，Si/MWCNT@C材料具有介孔结构，比表面积在17.47-41.16 m2 g-1之间，有利于Li+的插入/脱出。
多孔球形Si/MWCNT@C材料电化学性能
在0.01-1.5 V的电压范围内，研究了不同CNTxSi2C2（x = 0.25、0.5和0.75）对半电池电化学性能的影响。倍率测试显示，当电流密度为0.5 A g-1时，CNTxSi2C2（x = 0.25、0.5和0.75）的可逆比容量分别为1370、880和1466 mA h g-1。循环稳定性测试表明，在0.2 A g-1下循环200次后，CNT0.25Si2C2的容量保持率为100.2%，表现出优异的循环稳定性。
自支撑电极研究
通过将Si/MWCNT@C材料与单壁碳纳米管混合制备的自支撑电极，在1 A g-1下循环100次后，容量保持率可达84.7%。这表明SWCNT的加入进一步增强了3D导电网络，提高了活性材料的容量释放效果。
全电池性能研究
在全电池测试中，预锂化处理显著提高了电池的循环稳定性。在1 A g-1下循环400次后，CNT0.5Si2C2仍能保持72.4 mA h g-1的比容量，保留率为79.8%。所有材料的ICE都大于80%，这对全电池的循环稳定性起着至关重要的作用。
这项工作为设计具有Si/C微球结构的高效快速储能材料提供了可行的策略，同时也对Li+的储能机理进行了深入分析。
原文链接：
Enhancing Lithium-Ion Batteries with a 3D Conductive Network Silicon–Carbon Nanotube Composite Anode
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c15909?articleRef=control
本文原文来自polymer.cn