自支撑棉衍生三维碳-硅纳米结构用于高性能锂离子电池负极的无溶剂制备

《RSC Advances》：Self-supporting cotton-derived 3D carbon–Si nanoarchitecture for solvent-free fabrication of high-performance lithium-ion anodes

　　

本研究报道了一种可持续、无粘结剂且无需集流体的负极结构，基于棉衍生的三维纳米结构碳骨架修饰硅纳米颗粒（3D-CC@Si）。所制备的三维碳支架同时作为活性物质、导电网络和机械稳定支撑体，可直接组装扣式电池，无需聚合物粘结剂、金属集流体及有毒溶剂工艺。结构与形貌表征显示，球形硅纳米颗粒均匀锚定并紧密嵌入多孔碳网络中，同时在硅表面形成一层无定形碳包覆层，提供了有效的电接触和界面稳定性。得益于导电三维碳骨架与碳包覆硅纳米颗粒的协同效应，3D-CC@Si负极表现出更高的电化学可及性、改善的结构完整性和优异的电化学性能。该工作展示了一种简便、可扩展且环境友好的高性能硅基负极构建策略，为实现高能量密度锂离子电池提供了可行路径。

研究背景与意义

锂离子电池（LIBs）因高能量密度、长循环寿命和高效率，已成为便携式电子设备、电动汽车及大规模储能的主流技术。然而，随着电动汽车和可再生能源的大规模应用，对更高能量密度、安全性和可持续性的需求日益迫切。石墨作为商用负极材料，其理论容量仅为372 mAh g^?1，限制了电池能量密度的进一步提升。硅（Si）因理论比容量高达4200 mAh g^?1、嵌锂电位低（<0.5 V）且在地壳中储量丰富，被认为是下一代高容量负极的有力候选。然而，硅在充放电过程中会发生约300%的体积膨胀，导致颗粒粉化、失去电接触，加之电导率低和固体电解质界面（SEI）不稳定，造成容量快速衰减和库仑效率低。现有硅碳复合材料虽有一定改进，但成本高、工艺复杂，限制其规模化应用。生物质衍生碳因其低成本、可再生性和分级多孔结构成为有潜力的替代材料。棉纤维富含纤维素，碳化后可形成互联导电网络，并具备容纳硅体积变化的孔隙结构。因此，本研究旨在开发一种自支撑、无粘结剂、无集流体且无需溶剂加工的棉衍生三维碳-硅复合负极，以兼顾高容量与循环稳定性。该成果发表于《RSC Advances》。

主要技术方法

研究采用越南Bach Tuyet公司提供的100%天然棉纤维作为碳前体，硅原料经直流热等离子体球磨纳米化得到硅纳米颗粒（SiNPs）。通过表面活性剂辅助分散将SiNPs负载于棉纤维，干燥后在氩氢混合气氛下800 ℃碳化，获得3D-CC@Si复合材料。材料表征采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）及能谱（EDS）映射分析。电化学性能测试在CR2032扣式半电池中进行，使用锂箔为对电极，Celgard 2300为隔膜，1 M LiPF₆溶于乙烯碳酸酯（EC）与二乙基碳酸酯（DEC）（体积比1:1）为电解液，采用循环伏安（CV）和恒流充放电测试评估性能。

研究结果

Introduction

综述了LIBs发展现状及硅负极的优势与挑战，指出三维碳骨架结合硅纳米颗粒可有效缓解体积膨胀并提高导电性，棉衍生碳具备低成本与结构优势，为本研究奠定理论基础。

Experiment

详细描述了SiNPs的等离子体制备参数与3D-CC@Si的合成流程，确保复合材料的可控性与重复性。

Results and discussion

SEM与TEM结果显示原始硅粉为不规则微米颗粒，经等离子体处理后变为数十至800 nm的球形SiNPs；棉纤维碳化后形成连续三维导电网络，SiNPs均匀锚定于碳骨架上并被无定形碳层包覆，抑制SEI过度生长。EDS映射证实Si在碳骨架中分布均匀，无明显团聚。拉曼光谱与XRD验证了从纤维素到碳结构的转变及Si的晶体相保留。电化学测试表明，纯Si电极初始容量高但衰减快；3D-CC电极容量较低但循环稳定；3D-CC@Si（20 wt% Si）兼具高可逆容量（800–900 mAh g^?1）与高库仑效率（~99.8%），并在不同倍率下保持结构稳定。硅含量优化实验显示，30 wt% Si样品在容量与循环稳定性间取得最佳平衡，过高负载会因体积膨胀引发容量衰减。

讨论与结论翻译

本研究成功开发了一种可持续的自支撑三维碳-硅复合负极，利用天然棉作为碳前体，硅纳米颗粒为高容量活性组分。棉衍生三维碳骨架提供了连续的导电网络和机械强度，均匀锚定并包覆的硅颗粒确保了高效的电荷传输与稳定的电极-电解质界面。该一体化结构实现了无粘结剂、无集流体的电极制备，显著简化了制造工艺并避免了有害溶剂的使用。三维碳骨架与硅颗粒的协同作用有效缓解了硅的体积膨胀，抑制了SEI的过度生成，并在多次充放电循环中保持了结构完整性。最终，3D-CC@Si负极表现出优异的电化学性能和循环稳定性，为下一代高能量密度锂离子电池提供了一种可扩展且环境友好的负极设计方案。