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 鋰離子電池硅負(fù)極具有其它負(fù)極材料無法匹敵的比容量而成為科學(xué)界與工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。然而，在充放電過程中，硅電極在脫嵌鋰時(shí)會(huì)發(fā)生高達(dá)300~400%的體積變化，嚴(yán)重影響硅負(fù)極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且其導(dǎo)電性較差，制約著硅負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與西交大蘇州研究院及納米學(xué)院合作，基于原位可控凝膠化過程，制備出Cu導(dǎo)電添加劑及碳納米管增強(qiáng)的多層硅/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。其多層結(jié)構(gòu)特征和碳納米管增韌碳基體可有效釋放充放電過程中硅負(fù)極體積變化而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力，Cu導(dǎo)電添加劑的引入提升了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。該復(fù)合材料電極在1A·g-1的大電流密度下經(jīng)過900次循環(huán)后比容量達(dá)到1500 mAh·g-1；在4A·g-1的大電流密度下循環(huán)展示出1035mAh·g-1的比容量，充分表明在硅顆粒巨大體積變化過程中電極材料仍保持優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該復(fù)合電極材料的Li +擴(kuò)散系數(shù)在10-11至10-9 cm-2·s-1范圍內(nèi)，具有快速充放電特性。

該研究工作通過微觀組織和界面結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)解決了硅負(fù)電極體積效應(yīng)這一瓶頸問題，有望為新一代高性能鋰離子硅負(fù)極的開發(fā)和應(yīng)用提供重要參考。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”為題在國際知名學(xué)術(shù)期刊ACS Nano（IF=13.709）上發(fā)表。西安交通大學(xué)國家強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該論文的第一作者和第一通訊作者單位。該研究工作是基于西交大材料學(xué)院與納米學(xué)院（蘇州）聯(lián)合培養(yǎng)博士生取得的成果。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省自然科學(xué)基金的支持。