硅长期以来被视为极具潜力的下一代锂离子电池负极材料，因为它比石墨能储存更多的锂。但硅在充放电过程中会发生剧烈的膨胀和收缩，这会导致电极开裂、导电通路中断并缩短电池寿命。

据外媒报道，世宗大学（Sejong University）的研究人员开发了一种旨在解决这一问题的自支撑硅负极。相关研究成果发表于期刊《Advanced Fiber Materials》，标题为《用于高倍率、长寿命锂离子电池的具有共形颗粒状Si/SiOx界面的CNF支持的自支撑硅负极（CNF-Supported Si Freestanding Anode with a Conformal Granular Si/SiOx Interphase for High-Rate, Long-Life Li-Ion Batteries）》。

图片来源：期刊《Advanced Fiber Materials》

传统的硅电极通常是将浆料混合物涂覆在集流器上制成的，这种设计会增加电极的重量，并引入在反复循环过程中变得不稳定的界面。相比之下，世宗大学的研究团队设计了一种独立式结构，其中碳纳米纤维（CNF）既作为负极的结构支架，又作为导电框架。

研究人员随后在每根纤维的表面设计了一种水解-缩合反应，使硅沿着CNF网络均匀形成共形Si/SiOx界面。示意图概述了这一逐步过程如何最终制备出这种自支撑负极结构。

这种结构至关重要，因为它有助于电极在硅于反复循环过程中体积发生变化时，仍能保持其多孔网络和电连接。

显微镜和光谱分析表明，含硅层在CNF芯周围形成一个薄而连续的壳层，且未出现过度聚集或包覆现象。这有助于保持纤维间的连接，并维持离子传输的通道畅通。

在电化学测试中，该负极在0.1A g⁻¹的电流密度下可提供727.1mAh g⁻¹的比容量。在1A g⁻¹的高倍率条件下，循环2000次后容量保持率为79.8%。在与NCM622正极的全电池测试中，该负极可提供176.5mAh g⁻¹的比容量，循环300次后容量保持率为91.6%。

该研究团队还发现，循环过程中电荷转移电阻降低，表明该结构能够支持更快速的电化学传输，从而延长电池的使用寿命。

研究人员表示，这种结构稳定性和倍率性能的结合，使得该设计适用于既需要快速充电又需要长循环寿命的应用，包括电动汽车和储能系统。

Hyeon-Woo Yang教授表示：“这项工作的关键区别在于，CNF不仅被用作支撑物，更被用作自支撑硅负极的结构和导电骨架。通过使硅沿每根纤维均匀生长，我们成功地提高了结构稳定性和电化学性能。”

Sun-Jae Kim教授补充说道：“硅负极长期以来一直受限于反复循环过程中的结构退化。这项研究为克服这一难题、拓展高容量硅负极在下一代锂离子电池中的应用提供了一条新途径。”