DOI: 10.1021/acsami.0c05658
将硅纳米颗粒嵌入碳纳米纤维中是制备用于锂离子电池的自立式且无粘合剂的硅基负极材料的有效方法之一。然而，缓慢的锂离子迁移限制了常规策略的电化学性能，尤其是在高速率条件下。在此，通过简易的静电纺丝法和随后的热处理，制备了一种掺入硅纳米颗粒的多孔碳纳米纤维（Si/PCNF）。通过将质量比调整为0.4:1，可以获得具有有效Li+迁移途径和优异结构稳定性的Si/PCNF负极材料，从而获得最佳的电化学性能。尽管进一步提高PEG与PAN的质量比可以导致更大的孔径并有利于Li+迁移，从而提高速率容量，但结构稳定性将变差，同时会形成更多的缺陷，并导致C-C结合力较弱，从而降低循环稳定性。值得注意的是，在5 A g-1的电流密度下，倍率容量达到1033.4 mAh g-1，200次循环后，在0.5 A g-1时的循环容量为933.2 mAh g-1，保持了80.9％的保留率，初始库仑效率（ICE）为83.37％。
图1.Si/PCNF的结构和机理。（a）改进了用于Li+传导的多孔结构，通过该多孔结构可以提供更短的Li+途径。（b）TGA研究孔的形成过程，表明引入PEG作为孔形成剂是可行的。（c）孔径分布随成孔剂的引入而变化。通过引入PEG获得微孔。
图2.Si/PCNF的形态和微观结构。（a）均匀厚度为65μm的Si/PCNF膜的SEM图像的横截面（插图为Si/PCNF膜的俯视图）。（b）Si/PCNF和Si/CNF的XRD图谱。（c）Si/PCNF的TEM图像。Si NPs轻微聚集，并被一层碳覆盖。（d）高分辨率TEM图像显示晶体硅颗粒嵌入碳层中，厚度约为10nm。
图3.Si/CNF与Si/PCNF的电化学性能比较。（a）两个电极在电流密度为0.5 A g-1时的循环性能（插图是相应的库仑效率）。（b）不同电流密度下电极的额定容量。Si/PCNF中显示出更高的倍率容量，特别是在高电流密度下。（c）在5 A g-1的电流密度下测量中值电势。（d）Si/CNF和Si/PCNF的相对Li+扩散效率。以0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mV s-1的扫描速率从循环伏安曲线中获得的峰值电流。
图4.不同Si/PCNF电极的电化学性能。（a）Si/PCNF材料在0.2 A g-1的电流密度和（b）0.5 A g-1的电流密度下的循环性能，插图分别是相应的库仑效率。（c）倍率容量和（d）倍率容量随PAN质量比的变化。当电流密度增加到2.0和5.0 A g-1时，Si/PCNF-0.40显示出最高的倍率容量。（e）比较报道的不同Si/CNF基负极材料的倍率容量。随着电流密度的增加，Si/PCNF-0.40显示出最高的倍率容量，尤其是在5.0 A g-1的情况下。（f）不同Si/PCNF负极材料在一系列电流密度下的中值电压。
图5.进一步增加PEG时情况恶化的机理。（a）Si/PCNF-0.40和（b）Si/PCNF-0.55处于原始状态和经过120次循环后的EIS。与Si/PCNF-0.40相比，Si/PCNF-0.55电极显示在120次循环期间的不稳定阻抗，这表明由于成孔剂过多而导致结构稳定性差。（c）Si/PCNF-0.40和（d）Si/PCNF-0.55在0.2 A g-1的电流密度下循环120次的SEM形态。
