芳纶纳米纤维与碳纳米管对微米硅负极的协同作用：提升稳定性与导电性

刘清清，韦笑，杨晨，许昌皓月，蔡文龙*，陈枫*

随着对更高容量和更持久电池的追求不断加强，硅负极作为一种很有前途的材料应运而生。尽管硅负极在电池性能方面具有巨大潜力，但它们的实际应用却受到充放电循环过程中体积膨胀相关问题的阻碍，这引发了人们对使用这些材料的电池的耐久性和可靠性的严重担忧。在本研究中，芳纶纳米纤维(ANFs)在纯硅微米颗粒（SMPs）表面原位质子化，同时还起到表面活性剂的作用，将碳纳米管（CNTs）聚集在一起，在SMPs表面形成ANF/CNT 网络（ANF/CNT/SMPs）。结果表明，这种双涂层不仅能抑制膨胀、增强结构稳定性，还能提高导电性，从而提升微硅负极的循环稳定性。在 0.2A/g 的电流密度下循环 200 次后，ANF/CNT/SMP 负极的比容量可达 454mAh/g，表现出良好的循环稳定性。与SMP负极相比，ANF/CNT/SMP 负极在循环 100 次后的厚度膨胀可降低 51.5%。这些研究结果为通过 ANFs 和 CNTs 复合涂层缓解微硅负极的膨胀问题提供了一种新方法。

图1. ANF/CNT/SMP 的材料设计示意图。(a) ANF/CNT/SMP 的制备过程。(b) ANF/CNT 网络抑制 SMP 体积膨胀的模拟示意图。

图 2. (a) ANF/CNT/SMP 的 SEM 图像形貌，以及硅，碳和氮元素的 EDS 图像。(b) 不同 ANF/DMSO 溶液、ANF/CNT/DMSO 溶液和原始芳纶纤维 （PPTA）的拉曼散射光谱。(c) SMP，CNT/SMP， ANF/SMP， ANF/CNT/SMP 的 FT-IR 图。(d) 各种复合材料的全 X 射线光电子能谱 （XPS），(e) 各种复合材料的氮元素 XPS 光谱。(f) 原始ANF 薄膜和ANF/CNT 薄膜的典型应力- 应变曲线，插图展示了应力-应变测试过程。(g) SMP，CNT/SMP， ANF/SMP 和 ANF/CNT/SMP 极片的纳米压痕曲线。

图 3. CNT/SMP 负极（a-d）和 ANF/CNT/SMP 负极（e-h）在长期脱嵌锂循环过程中的扫描电子显微镜图像（比例尺为20μm）。(i) CNT/SMP和ANF/CNT/SMP 负极图像中不同面积颗粒占所有颗粒的百分比。(j) SMP和ANF/CNT/SMP 负极体积膨胀降低的示意图。

图 4. (a) ANF/CNT/SMP 负极和其他负极的恒电流充放电曲线。(b) CNT/SMP负极和 (c) ANF/CNT/SMP 负极在扫描速率为 0.1 mV s⁻¹ 时前 3 圈的 CV 曲线。(d) 化成后各种负极的EIS曲线，以及 (e) 相应拟合得到的电荷转移电阻Rct。(f) ANF/CNT/SMP 负极和其他电极在 0.1 C 倍率下的长循环性能和库仑效率 (CE)。

图5. 循环100次后ANF/CNT/SMP(a), ANF/SMP(b), CNT/SMP(c), ANF/CNT/SMP(d) 极片的厚度，以及循环前 SMP 极片的厚度 (e)。(f) 不同负极的厚度膨胀率。(g) ANF/CNT/SMP（占比 66.6%）和石墨（占比 33.3%）负极在 0.2 C 下的长循环性能和库仑效率（CE）。

相关成果以“The Synergistic Effect of Aramid Nanofibers and Carbon Nanotubes on Micro-silicon Anodes for Improved Stability and Conductivity”为题发表在《Small》上。文章第一作者是四川大学高分子科学与工程学院博士生刘清清，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院教授陈枫和四川大学材料科学与工程学院副研究员蔡文龙。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202403938