CNF支持的Si独立阳极，采用共形颗粒状Si/SiOx界面结构，用于高倍率、长寿命的锂离子电池

《Advanced Fiber Materials》：CNF-Supported Si Freestanding Anode with a Conformal Granular Si/SiOx Interphase for High-Rate, Long-Life Li-Ion Batteries

碳纳米纤维支撑的硅基自由standing电极通过表面功能化聚丙烯腈引导SiCl4水解缩合形成均匀Si/SiOx层，有效抑制体积膨胀并降低电荷转移电阻，实现高倍率（288mAh g?1@10A g?1）和长循环寿命（91.6%容量保持率@300次循环）。

　　

摘要

独立电极通过消除非活性物质，有望实现更高的能量密度和更高的放电速率。然而，它们需要一种在循环过程中能够保持孔隙率和电子传导路径的界面层。本文报道了一种由碳纳米纤维（CNF）支撑的硅（Si）独立阳极的制备方法：通过对静电纺丝聚丙烯腈（PAN）的表面化学性质进行调控，引导SiCl₄在界面层发生水解-缩合反应，随后进行稳定化和碳化处理。KOH预处理和退火处理生成了含有氧和氮的基团，这些基团能够生成均匀的Si–O前驱体；随后的碳化过程使富含氧化物的Si–O层（以下简称Si/SiO_x，厚度为40–50纳米）通过Si–O–C键固定在CNF核心上。微观和光谱分析证实，这种电极具有致密的碳核心/Si–SiO_x结构，没有过度涂层或聚集现象，同时保持了电极之间的连接和纤维间距。在0.1 A g^?1和10 A g^?1的电流密度下，该独立电极分别可提供727 mAh g^?1和288 mAh g^?1的放电容量；在0.2 A g^?1的电流密度下，其容量保留率为85.9%，在1 A g^?1时为79.8%。与对照组电极相比，该电极的电荷转移电阻显著降低（从约130 Ω降至44 Ω），同时伪电容贡献和Li⁺的扩散速率也有所提高。在LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）/CNF支撑的硅全电池中，该全电池在300次循环后仍可提供176.5 mAh g^?1的放电容量，容量损失仅为约0.028%每循环，表现出优异的高倍率循环性能。据我们所知，这是首个通过PAN表面改性实现的SiCl₄界面水解-缩合及稳定化/碳化过程，形成致密Si/SiO_x界面的CNF支撑硅独立阳极。这种富含氧化物的界面层与CNF框架紧密结合，能够保持孔隙率和电极连接，缓冲硅材料的体积变化，稳定固体电解质界面（SEI），并促进快速的离子/电子传输，从而实现高倍率、长寿命的锂离子电池性能。

图形摘要

独立电极通过消除非活性物质，有望实现更高的能量密度和更高的放电速率。然而，它们需要一种在循环过程中能够保持孔隙率和电子传导路径的界面层。本文报道了一种由碳纳米纤维（CNF）支撑的硅（Si）独立阳极的制备方法：通过对静电纺丝聚丙烯腈（PAN）的表面化学性质进行调控，引导SiCl₄在界面层发生水解-缩合反应，随后进行稳定化和碳化处理。KOH预处理和退火处理生成了含有氧和氮的基团，这些基团能够生成均匀的Si–O前驱体；随后的碳化过程使富含氧化物的Si–O层（以下简称Si/SiO_x，厚度为40–50纳米）通过Si–O–C键固定在CNF核心上。微观和光谱分析证实，这种电极具有致密的碳核心/Si–SiO_x结构，没有过度涂层或聚集现象，同时保持了电极之间的连接和纤维间距。在0.1 A g^?1和10 A g^?1的电流密度下，该独立电极分别可提供727 mAh g^?1和288 mAh g^?1的放电容量；在0.2 A g^?1的电流密度下，其容量保留率为85.9%，在1 A g^?1时为79.8%。与对照组电极相比，该电极的电荷转移电阻显著降低（从约130 Ω降至44 Ω），同时伪电容贡献和Li⁺的扩散速率也有所提高。在LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）/CNF支撑的硅全电池中，该全电池在300次循环后仍可提供176.5 mAh g^?1的放电容量，容量损失仅为约0.028%每循环，表现出优异的高倍率循环性能。据我们所知，这是首个通过PAN表面改性实现的SiCl₄界面水解-缩合及稳定化/碳化过程，形成致密Si/SiO_x界面的CNF支撑硅独立阳极。这种富含氧化物的界面层与CNF框架紧密结合，能够保持孔隙率和电极连接，缓冲硅材料的体积变化，稳定固体电解质界面（SEI），并促进快速的离子/电子传输，从而实现高倍率、长寿命的锂离子电池性能。

图形摘要