西安交大制备出Cu导电添加剂及碳纳米管增强的多层硅/碳复合结构

锂离子电池硅负极具有其它负极材料无法匹敌的比容量而成为科学界与工业界的研究热点。然而，在充放电过程中，硅电极在脱嵌锂时会发生高达300~400%的体积变化，严重影响硅负极的结构稳定性，且其导电性较差，制约着硅负极的实际应用。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室与西交大苏州研究院及纳米学院合作，基于原位可控凝胶化过程，制备出Cu导电添加剂及碳纳米管增强的多层硅/碳复合结构。其多层结构特征和碳纳米管增韧碳基体可有效释放充放电过程中硅负极体积变化而产生的巨大应力，Cu导电添加剂的引入提升了复合材料的导电性。该复合材料电极在1A·g^-1的大电流密度下经过900次循环后比容量达到1500 mAh·g^-1；在4A·g^-1的大电流密度下循环展示出1035mAh·g^-1的比容量，充分表明在硅颗粒巨大体积变化过程中电极材料仍保持优异的结构稳定性。该复合电极材料的Li ⁺扩散系数在10^-11至10^-9 cm^-2·s^-1范围内，具有快速充放电特性。

该研究工作通过微观组织和界面结构的巧妙设计解决了硅负电极体积效应这一瓶颈问题，有望为新一代高性能锂离子硅负极的开发和应用提供重要参考。研究成果以“In Situ Synthesis of Multilayer Carbon Matrix Decorated with Copper Particles: Enhancing the Performance of Si as Anode for Li-Ion Batteries”为题在国际知名学术期刊ACS Nano（IF=13.709）上发表。西安交通大学国家强度重点实验室为该论文的第一作者和第一通讯作者单位。该研究工作是基于西交大材料学院与纳米学院（苏州）联合培养博士生取得的成果。研究工作得到了国家自然科学基金、苏州纳米科技协同创新中心、江苏省自然科学基金的支持。