成果简介
硅（Si）由于其高容量和丰富的地壳储量而被广泛用作锂离子电池阳极。然而，硅在循环时体积变化大，导电性差，导致容量迅速下降，快速充电能力差，限制了其商业应用。本文，南方科技大学机械与能源工程系赵天寿院士课题组在《Carbon Energy》期刊发表名为“Multilevel carbon architecture of subnanoscopic silicon for fast-charging high-energy-density lithium-ion batteries”的论文，研究提出了一种多层次碳结构，垂直石墨烯片（VGSs）生长在亚纳米级和均匀分散的Si-C复合纳米球的表面上，随后嵌入碳基质（C / VGSs@Si-C）中。
Si–C纳米球中的亚纳米C、VGS和碳基体形成三维导电和鲁棒网络，显著提高了电导率并抑制了Si的体积膨胀，从而促进了电荷传输，提高了电极稳定性。具有巨大裸露边缘的VGS大大增加了与碳基体的接触面积，并通过整个材料提供定向传输通道，从而促进了电荷传输。碳基体封装VGSs@Si-C以减小比表面积并增加振实密度，从而产生较高的第一库仑效率和电极压实密度。因此，C/VGSs@Si–C在工业电极条件下具有出色的锂离子存储性能。特别是，别是，全电池在0.1℃时显示出603.5 Wh kg-1和1685.5 Wh L-1的高能量密度，在3℃时保持80.7%的能量密度。
图文导读
图1、C/VGSs@Si-C的合成图.
图2、结构分析：（A）Si-C的SEM和（B，C）TEM图像（（B）中的插图显示了SAED图案）;（D）VGSs@Si-C的SEM和（E，F）TEM图像;（G） C/VGSs@Si-C 的 SEM 和 （H， I） TEM 图像
图3、所得样品的结构和复合表征
图4、电化学性能表征
图5、C/VGSs@Si–C的电化学动力学分析及锂离子储存机理
图6、全电池的锂存储性能
小结
综上所述，提出了一种多层次碳构型策略，成功制备了一种新型C/VGSs@Si-C复合材料，将亚纳米级和均匀分散的Si-C复合材料纳米球上VGS的生长嵌入碳基体中。Si–C、VGS和碳基体中的亚纳米级C共同构建了3D导电和鲁棒网络，从而显着提高了EC（9.3 × 103S m−1）并抑制Si的体积膨胀（27次循环后电极厚度变化5.150%）。所设计的C/VGSs@Si-C阳极对快速充电和高能量密度锂离子电池具有良好的实用性。
文献：https://doi.org/10.1002/cey2.377
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