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成果简介

了将锂离子电池(LIBs)的能量容量推向关键市场,人们需要富硅阳极。本文,华南理工大学Xiufang Wen、Shengnian Wang等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Nanofiber-in-microfiber carbon/silicon composite anode with high silicon content for lithium-ion batteries”的论文,研究使用同轴电纺丝装置制备了具有超细纤维结构的纳米纤维的新型富硅复合阳极。允许高硅含量的聚乙烯醇(PVA)溶液作为中心流,它将硅纳米颗粒容纳到短的、分支的复合纳米纤维中。

这些纳米纤维被由聚丙烯腈(PAN)制成的长的、可延展的微纤维包裹,聚丙烯腈被供应到鞘液中。碳化后,将接收的碳/硅复合材料作为LIB的阳极进行测试,其中富硅纳米纤维承载大部分锂离子,而其源自PVA的薄碳表层促进了导电性和电荷转移。外部PAN衍生的微纤维为那些封装的富硅纳米纤维提供了所需的结构支撑,使最终的复合材料也是一个集成的三维集电器。纳米纤维形态和其间的空隙空间有助于适应锂化/脱锂过程中臭名昭著的体积膨胀问题。新的复合材料在其超细纤维构型的纳米纤维上得到证实。硅含量为40%,这种独特的纤维状阳极材料通过有效地平衡与富硅阳极相关的一些主要挑战,实现了900 mAh g-1的特定容量和90%以上的容量保持率,从50循环到250循环。

图文导读

图1. 制造纳米纤维-超细纤维复合纤维垫的同轴电纺工艺示意图和碳化前后在PAN超细纤维中含有Si/PVA纳米纤维束的三维阳极配置。

图2. 原始Si/PVA比例为1:3(或25wt%)的PVA/Si/PAN纤维的SEM(a,b)、TEM(c)和EDS元素图谱(d)图片。

图3. 分别为(a)1:3; (d)2:3; (g)3:3的Si/PVA/Si复合纳米纤维及其碳化对应物的低倍率(b, e, h)和高倍率(c, f, i)的SEM图像。

图4. C/Si复合纳米纤维的XPS分析

图5.(a) EIS的奈奎斯特图和由纳米纤维-超细纤维、富含Si的复合材料(40wt%)制成的电池的相应拟合:新的和250次循环后;(b) 循环的复合纤维阳极的SEM图像。

小结

这种纳米纤维-超细纤维复合阳极的所有这些特点共同有效地平衡了电极粉碎和高可逆容量之间的问题,为富硅阳极的电化学性能和容量保持带来了希望,从而推动了其商业化进程。这项工作所涉及的独特的加工策略也为制造高固体含量的复合纳米材料提供了一条新的途径,使其在锂离子电池以外的广泛领域得到应用。

文献:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.100

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