硅（Si）作为最有前途的负极材料，已经引起了人们将其替代商用石墨用于锂离子电池（LIBs）的极大关注。然而，近年来，Si基复合材料的结构稳定性和较低的电子/离子电导率已成为人们关注的主要问题，这阻碍了Si作为LIBs负极材料的进一步发展。
近日，西北大学王惠教授，Xiaojie Liu报道了开发了一种掺氮碳纤维交联的三维（3D）组装微球（NCF），其中微球由均匀浸渍有Si纳米点（SHC）的中空碳纳米球组装而成，并将其作为无粘结剂、高性能和柔性的LIB负极。
文章要点
1）研究人员将获得的材料表示为SHCM/NCF。值得注意的是，聚丙烯腈（PAN）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）衍生的碳不仅可以在微球骨架内浸渍镁热还原衍生的SHC纳米球，还可以电纺成与SHC微球交织的特殊织物结构，有利于形成高电子/离子导电网络，从而获得更高的电化学性能和无粘结剂电极的自支撑结构。
2）所开发的3D互连结构具有以下优点：i）N/C网络有利于快速的离子/电子传导，这可以提高热力学稳定性，并提供缓冲层以适应整个材料在循环过程中的结构变化；ii）合理的微球设计不仅可以避免单个纳米粒子振实密度低和团聚的缺点，而且可以削弱比表面积以避免与电解质的副反应，克服无方向团聚以减少电极与电解质之间的接触面积；iii）PVP和PAN是绿色聚合物，有利于合成纸张的弯曲性能，也可以提供氮掺杂的定量存在，提高纸张的导电性；iv）无粘合剂的、自支撑和柔性的纸由设计的与微球结构交织的织物制成，可以消除绝缘聚合物粘合剂和多余导电添加剂在制备电极过程中的影响，避免副作用并使成本最小化，其可以大量制备，有利于实际应用。
3）结合上述这些优点，SHCM/NCF纸电极显示出显著提高的Li半/全电池的循环和倍率性能。基于SHCM/NCF的Li半电池，在1 A g-1下800次循环后，具有1442 mAh g-1的高可逆容量，即使在3.2 A g-1下，容量仍保持在800 mAh g−1。对于Li全电池，在0.5 A g-1下200次循环后，容量保持450 mAh g-1。
参考文献
Ruiyu Zhu, et al, Silicon in Hollow Carbon Nanospheres Assembled Microspheres Cross-linked with N-doped Carbon Fibers toward a Binder Free, High Performance, and Flexible Anode for Lithium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202101487
https://doi.org/10.1002/adfm.202101487.
