魏飞/张晨曦AFM：单壁碳纳米管薄膜作为硅负极的高效导电网络

硅基负极因其高容量而被认为是下一代锂离子电池的理想候选材料。但循环过程中导电性低、体积变化大，不可避免地导致循环稳定性较差。

在此，清华大学魏飞教授、张晨曦教授等人利用单壁碳纳米管（SWCNTs）网络和SiOx@C之间强大的范德华力，用干法制造了一种无粘合剂的硅基电极。作者还进一步探索SWCNT和多壁碳纳米管（MWCNTs）作为导电网络的不同机制。

通过实验得到SiOx@C|SWCNT负极获得了较高的初始放电容量（1785 mAh g^-1）、较高的初始库伦效率（ICE，81.52%）以及出色的循环稳定性。此外，其锂离子扩散系数（DLi+）比SiOx@C|MWCNT高3-4个数量级。

图1. SiOx@C|SWCNT和SiOx@C|MWCNT负极的电化学性能

此外，作者还通过原位拉曼光谱和理论分析详细阐明了其基本机制。研究发现，即使在高达6.2GPa的拉伸应力下，SWCNTs也能与SiOx@C保持良好的接触，而MWCNTs在长期循环过程中由于高达8.9GPa的交替压缩应力和高达2.5GPa的拉伸应力而失去电接触。

在这种非常大的应力下，更灵活的SWCNTs和它们更强的范德华力确保SiOx@C仍然与SWCNTs有良好的接触。

由于SWCNTs具有优良的导电性、高长径比和出色的柔韧性，它与硅基材料有良好的电接触。受益于独特的结构和连续的离子/电子传输途径，SiOx@C|SWCN负极表现出高的初始库仑效率、稳定的循环和高速率性能，这是使用传统LIB电极技术难以实现的。

因此，这项工作为表征电接触提供了一种新的策略，也为理解SWCNT区别于其他导电剂提供了新的思路。

图2. 原位拉曼光谱下，SWCNTs和MWCNTs在循环过程中的应力变化

Single-Walled Carbon Nanotube Film as an Efficient Conductive Network for Si-Based Anodes, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202300094