CEJ：基于Si-C键的面对面导电机制助力无粘结剂柔性硅负极

第一作者：张志勇，孙哲飞

通讯作者：陈松岩，王鸣生，吴子平

单位：厦门大学，江西理工大学，华南师范大学，中国电科24所，南京林业大学

硅负极具有十倍于石墨的超高比容量，且不易形成锂枝晶，是负极材料的有利竞争者。然而，高硅含量的硅负极巨大的循环膨胀应力和体积变化极大的阻碍了其进一步发展。为此，以碳纳米管、石墨烯等高导电的三维导电网络已经被成功开发，为高硅含量负极创造了一个可以适应微纳结构膨胀的连续导电系统。然而，由于膨胀应力的影响和固体电解膜（SEI）的不断累积，硅颗粒与导电网络之间的弱物理接触很容易被分离，这导致了高硅含量负极性能的快速下降，限制了其在锂离子电池中的应用。

近日， 厦门大学陈松岩教授，王鸣生教授和江西理工大学吴子平教授 在知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表的题为 “Face-to-face conducting mechanism enabled by Si-C bonds for binder free Si@CNTs electrode“ 的研究型论文。通过引入三维连续的碳纳米管导电膜构建了硅负极的导电系统，同时利用高真空磁控溅射策略将硅原子/团簇沉积在连续的碳纳米管纤维上，最终得到无粘结剂的柔性硅负极薄膜。该结构的导电机制有别于传统的“点对点”接触导电方式，通过溅射得到具有活性的硅原子/团簇与碳纳米管表面形成了大量的Si-C键，在增加结构机械性能和降低锂化膨胀率的同时，构筑了高效的“面对面”导电机制，实现了无粘结剂柔性硅负极的高倍率稳定循环。

“点对点”的接触导电路径在循环过程中极易被循环膨胀应力和不断累积的SEI膜破坏。基于“面对面”的Si-C键拥有抵抗循环膨胀应力的结构稳定性，同时将导电路径内嵌至硅碳纤维内部，使得其在循环过程中不会被SEI膜影响。这一“面对面”的导电机制通过高真空磁控溅射系统实现，射频溅射出的硅原子/团簇带有悬挂键，有助于其与碳纳米管基底形成Si-C键，以此制备出内嵌三维导电网络的柔性硅纤维薄膜（Si@CNTs）。通过FTIR，XPS，DFT计算验证了Si-C键的存在，其在桥位的成键机率最大。对Si@CNTs纤维膜进行原位弯曲/拉伸-导电性测试和原位TEM测试，结果表明薄膜具有优异的导电性和低锂化膨胀率（<58.33%），Si@CNTs电极在高倍率下循环500次后容量保持率为81%。该策略为硅和碳纳米管的集成提供了新的理解和路径。

陈松岩 ，厦门大学物理科学与技术学院教授。研究领域为硅基半导体材料，硅负极锂离子电池及固态电解质。近年来，承担并主持多项国家自然科学基金重点项目、面上项目、装备预研领域项目及企业项目等。发表在APL, EES, AEM, ESM, CEJ, Nano Res., JEC, ACS AMI, JMCA等SCI期刊收录论文180余篇， 获得国家发明专利20余项。课题组网站http://sigroup.xmu.edu.cn/

王鸣生 ，厦门大学材料学院教授。国家高层次青年人才，全国百篇优秀博士论文奖获得者，福建省“闽江学者”特聘教授，创建了原位电镜实验室。主要研究兴趣：(1)原位电镜表征及精准纳米/原子制造技术，(2)高性能储能材料与器件的设计和表征。在国际主流期刊上发表论文120多篇，包括Nature, Nat. Commun., AM, Mater. Today, Angew., AEM, AFM, Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等。代表性成果：(1) 首创了TEM纳米增材、减材和等材制造的概念并发展了成套技术方法; (2) 发展了“仿真”式原位电镜表征方法，系统揭示了限域空间中各类储能材料的演变与失效机理。课题组网站http://mswang.xmu.edu.cn

吴子平 ，江西理工大学教授，博士生导师，主要从事碳基纳米材料的宏量制备及其在柔性能源存储系统中的应用研究，如柔性锂离子电池、锂硫电池等。在Adv. Mater., Angew, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Small等期刊发表论文50多篇，授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金、江西省主要学科学术和技术带头人等项目，获江西省自然科学二等奖1项。

张志勇 ，厦门大学物理科学与技术学院2022级在读博士研究生，导师为陈松岩教授，研究主要领域为碳基纳米材料制备及其在高性能硅负极的应用、硅基固态电池的开发。在CEJ，Carbon，AEM，ACS AMI，JMCA，JEC，Nano Res.等期刊发表论文9篇，其中第一作者发表论文2篇，授权/申请专利7项。

孙哲飞 ，厦门大学材料学院2022级在读博士研究生，导师为王鸣生教授/张桥保教授。主要研究领域：电极/电解质材料的原位透射电镜研究。以第一作者身份在Materials Today Nano, Interdisciplinary Materials, eTransportation期刊发表论文3篇。

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