通过芳纶纳米纤维抑制硅负极体积膨胀制备高性能锂离子电池

刘清清，汤伟，杨晨，蔡文龙*，陈枫*，傅强

      硅碳微米颗粒(SMPs)由于其低成本和高容量的特点在储能系统中备受关注，但其在锂离子电池(LIBs)中的进一步应用受到体积膨胀和粉碎的限制。在此，芳纶纳米纤维在微碳硅颗粒(ANF-SMPs)上通过低温固定和酸诱导质子化形成网络，其粽子状包裹结构减少了(去)锂化过程中的体积膨胀，同时保持了优异的电化学性能。

     0.2 ANF -SMP (0.2 wt% ANF) 电极的弹性模量(31.92 GPa)超过原始SMP电极(24.09 GPa)的32.5%，有利于抑制颗粒粉碎。溶解的ANFs被冷冻固定在SMPs上，并通过凝固浴的方式进行酸诱导质子化增稠成网络。粽子状的包裹结构减少了SMP的体积膨胀，通过优化ANF-SMPs中ANFs的质量负载，平衡对体积膨胀的抑制作用和维持电化学性能。在电化学性能方面，0.2ANF-SMP电极表现出预期的倍率性能(在1.0C下的容量为692 mA h g-1)和长周期循环稳定性(在0.5C下循环100次后的容量保持率为90.7%)。0.2ANF-SMP电极的厚度增幅(41.31%)远低于原始SMP电极(59.41%)，同时保持了电极的完整性，没有明显的粉化和裂纹。总体而言，粽子启发的ANF-SMP在力学和电化学性能上都满足了硅基阳极的期望，并且该策略为长寿命阳极的发展描绘了一个广阔的前景。

图1.  ANF-SMP材料设计示意图

图2. (a) SMP和 (b, c) 0.2ANF-SMP的SEM图像。(d) 0.2ANF-SMP的N、Si、O和C元素分布的EDS图像。(e)不同ANFs质量载荷下SMP涂层的全XPS光谱和(f) N元素光谱。(g) ANF/DMSO、ANF/DMSO/(H2O/H+)溶液和原始PPTA纤维的拉曼散射。

图3. (a)原始ANF薄膜的典型应力-应变曲线，附图为应力-应变试验过程。(b)纳米压痕试验示意图。(c)纳米压痕试验中记录的典型加载-卸载曲线。(d)纳米压痕测试仪下的电极片图像。

图4. SMP电极的SEM图像(a)循环前，(b)循环20次后，(c)循环100次后。0.2ANF-SMP电极循环前的SEM图像(d)，循环20次后的(e)，循环100次后的(f)。(g)原始SMP和ANF-SMP的粉碎过程示意图。

图5. 不同ANF-SMP电极在半电池中的电化学性能。(a)不同ANF-SMP电极的恒流充放电曲线。不同的ANF-SMP电极在(b)和(c) 100次(去)锂化过程前后的阻抗谱。(d)扫描速率为0.1 mV s-1时，0.2ANF-SMP电极初始3个周期的循环伏安图。(e)原始SMP电极和0.2ANF-SMP电极在不同充放电速率下的倍率性能。(f)原始SMP电极和0.2ANF-SMP电极在0.5 C时的长循环性能和CE。

     相关成果以“Reducing volume expansion in micro silicon anodes via aramid nanofibers for stable lithium-ion batteries”为题发表在期刊《Chemical Communications》上，四川大学高分子学院博士研究生刘清清为本文的第一作者，通讯作者为四川大学材料科学与工程学院蔡文龙副研究员与高分子学院陈枫教授。

DOI: 10.1039/d3cc01909h

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/CC/D3CC01909H