硅的比容量高且安全性能好，被认为是最有希望取代商用石墨，成为下一代高容量动力电池的负极材料。其中与纳米结构的硅碳复合材料相比，用于锂离子电池(LIBs)的微尺寸硅碳复合阳极由于其更高的体积能量密度、更少的副反应和更低的成本，受到了广泛的关注。然而，它们会遭受更严重的体积膨胀效应，从而促使构建稳定的微尺寸硅碳复合阳极材料至关重要。

   课题组孙林教授团队和南京大学金钟教授团队合作提出了一种简单的湿化学方法，从废AlSi合金中获得多孔微尺寸硅(μP-Si)。然后，通过碳纳米管(CNTs)缠绕，并包裹聚乙烯吡咯烷酮(PVP)衍生碳，制备出高振实密度μP-Si@CNT@C复合阳极材料。

    μP-Si@CNT@C的制备过程如图1a所示。首先，将直径为5-10 μm的AlSi合金粉末在室温下进行盐酸刻蚀。将产物用去离子水和乙醇交替冲洗至中性，然后真空干燥，得到直径约为5 μm的多孔微球(命令为μP-Si，相应的SEM图像如图1b所示)。随后，将得到的μP-Si与一定量的多壁碳纳米管(CNT)在砂浆中研磨30 min，制得材料μP-Si@CNT。为了进一步提高电极的稳定性，采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为碳包覆层前驱体，在惰性气氛下进行可控热解，制备了μP-Si@CNT@C复合材料。

图1 所得样品的制备过程和形貌表征。 (a) μP-Si@CNT@C 的制备过程示意图；(b-d) μP-Si，μP-Si@CNT和μP-Si@CNT@C的SEM图像； (e-f) μP-Si@CNT@C的TEM和HRTEM图像； (g-j) μP-Si@CNT@C的元素分布。

如图2所示，通过电化学测试和有限元模拟表明，所制备的μP-Si@CNT@C在引入CNTs和PVP衍生碳时，通过构建坚韧的复合界面网络，协同优化了电极的稳定性和整体电化学性能。图2(a-b)是μP-Si@CNT@C半电池测试，图2(c)是以商用NCM811和μP-Si@CNT@C分别为正极和负极的全电池测试。其中图2(a)是μP-Si@CNT@C电极在0.5 A g^-1的电流密度下进行200次循环后，比容量仍高达1000 mAh g^-1。图2(b)是 μP-Si@CNT@C电极在~1.2 mg cm^-2的质量负载下，面积容量约为4 mAh cm^-2。图2(c)全电池表现出优异的电化学性能，在100次充放电循环后，容量保持率超过90%。图2(d-f)有限元模拟表明，碳纳米管包覆和PVP衍生碳包覆可有效减缓μP-Si的体积膨胀。

图2 (a) μP-Si，μP-Si@CNT和μP-Si@CNT@C电极在0.5 A g^-1电流密度下的循环稳定性；(b) μP-Si@CNT@C电极的面容量；(c) 以商用NCM811和μP-Si@CNT@C分别为阴极和阳极，在电流密度为0.2 A g^-1时硬币型电池的循环稳定性；(d-f) 建立的模型和有限元仿真结果。

该工作以题为“Stabilizing porous micro-sized silicon anodes via construction of tough composite interface networks for high-energy-density lithium-ion batteries”发表于国际知名期刊Nano Research。

文章链接：https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-024-6937-2