随着电动汽车与可再生能源存储领域的蓬勃发展，对高能量密度、长寿命锂离子电池的需求急剧增长，传统石墨负极理论容量仅 372mAh/g，难以满足下一代电池的性能要求。硅基材料因高达 4200mAh/g 的理论容量和丰富的资源，成为极具潜力的替代选择。然而，硅在充放电循环时会发生 300% 的体积膨胀，引发电极粉化、活性物质脱落、容量快速衰减等问题，还会致使 SEI 层反复形成与破裂，增加阻抗、降低性能。为克服这一限制，来自兰州理工大学材料科学与工程学院戴剑锋教授团队通过静电纺丝和简单的热处理过程，合成了一种新型的硅 - 碳纳米纤维 / 碳化茯苓粉复合材料，可有效减轻硅的体积膨胀，提高循环稳定性和倍率性能。该成果以“Enhancement of lithium-ion battery anodes performance by anchoring silicon–carbon nanofibers in porous biochar frameworks”为题发布在在国际知名期刊《J Mater Sci: Mater Electron》。

CPP（碳化茯苓粉末）的孔道结构为硅-碳纳米纤维提供了理想的支撑框架，能够有效吸收和重新分配硅在充放电过程中体积变化产生的应力，从而防止电极的粉碎和开裂。这种多孔结构不仅增强了复合材料的机械强度，还为电解液的渗透提供了通道，增加了活性材料与电解液的接触面积，从而提升了电化学反应的效率。

图 1：Si@CNFS 的 SEM 图像 (a, b)；CPP 的 SEM 图像 (c)；Si@CNFS/CPP 的 SEM 图像 (d, e)

一维 Si@CNFS（硅-碳纳米纤维）框架有效缓冲了硅在充放电过程中的体积膨胀。这种结构为硅颗粒提供了机械支撑，限制了其体积变化对电极结构的破坏。同时，一维框架还为锂离子的传输提供了快速通道，确保了高效的离子扩散，从而提升了电极的电化学性能。

图 2：Si@CNFS/CPP 的 TEM 图像 (a, b, c)；Si 的衍射斑点图像 (d)；Si@CNFS 的 EBSD 图像 (e, f)

Si@CNFS/CPP 复合材料在 0.1 A g⁻¹ 的电流密度下展现出优异的电化学性能，初始放电容量达到 1579.7 mAh g⁻¹，充电容量为 1455.5 mAh g⁻¹。经过 1000 个循环后，放电容量仍保持在 1277.2 mAh g⁻¹，容量保持率为 80.8%，平均每个循环的容量损失仅为 0.0201%。这些结果表明，该复合材料具有出色的循环稳定性和容量保持能力。

图 3：Si@CNFS/CPP 的循环性能曲线和电极片表面在循环前后的 SEM 图像

Si@CNFS/CPP 复合材料的层次孔结构（包括大孔和介孔）显著促进了电子和离子的传输，使其能够在 0.1 到 2 A g⁻¹ 的宽电流密度范围内实现高性能运行。循环伏安法分析显示，在较高的扫描速率下，伪电容贡献达到 91.56%，超过了 Si@CNFS 的 89.14%。这表明材料的表面反应性提高，动力学特性更快，从而提升了电化学性能。

图 4：Si@CNFS/CPP 在不同扫描速率下的循环伏安 (CV) 曲线 (a)；Si@CNFS/CPP 的伪电容贡献分析 (b, c)；Si@CNFS 在不同扫描速率下的循环伏安 (CV) 曲线 (d)；Si@CNFS 的伪电容贡献分析 (e, f)

Si@CNFS/CPP 复合材料的库仑效率在首次循环中为 76.08%，随着循环次数的增加，库仑效率逐渐提高，第二和第三循环分别达到 92.91% 和 96.80%。这种提升反映了稳定 SEI（固体电解质界面）层的形成。此外，复合材料在经过 100 个循环后，Warburg 系数仅为 9.91 Ω s⁻¹/²，表明其具有较低的离子扩散阻力和优异的离子传输特性。这种特性归因于材料的多孔结构和导电网络，它们共同为锂离子的快速传输提供了高效的通道。

图 5：Si@CNFS/CPP、Si@CNFS 和 CNFS 的循环伏安 (CV) 曲线 (a, b, c)；Si@CNFS/CPP 和 Si@CNFS 在前三次循环中的电压-容量曲线 (d, e)；Si@CNFS/CPP 和 Si@CNFS 材料在前三次充放电循环中的库仑效率比较 (f)

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值得一提的是，CNFS（氮掺杂碳纳米纤维）中的氮掺杂显著提升了材料的导电性和电化学活性。氮原子的引入不仅改善了碳框架的电子结构，还增加了活性位点，为锂离子的吸附和插入提供了更多机会。这种改性进一步提升了材料的整体电化学性能。

综上所述，Si@CNFS/CPP的制备和性能有效解决了硅基负极材料的体积膨胀和循环稳定性问题。多孔生物炭和硅-碳纳米纤维之间的协同效应可能为提高锂离子电池性能提供了一种有前景的方法。

文章来源：htps://doi.org/10.1007/s10854-025-14660-y