DOI: 10.1021/acsami.0c05658
將硅納米顆粒嵌入碳納米纖維中是制備用于鋰離子電池的自立式且無粘合劑的硅基負極材料的有效方法之一。然而，緩慢的鋰離子遷移限制了常規策略的電化學性能，尤其是在高速率條件下。在此，通過簡易的靜電紡絲法和隨后的熱處理，制備了一種摻入硅納米顆粒的多孔碳納米纖維（Si/PCNF）。通過將質量比調整為0.4:1，可以獲得具有有效Li+遷移途徑和優異結構穩定性的Si/PCNF負極材料，從而獲得最佳的電化學性能。盡管進一步提高PEG與PAN的質量比可以導致更大的孔徑并有利于Li+遷移，從而提高速率容量，但結構穩定性將變差，同時會形成更多的缺陷，并導致C-C結合力較弱，從而降低循環穩定性。值得注意的是，在5 A g-1的電流密度下，倍率容量達到1033.4 mAh g-1，200次循環后，在0.5 A g-1時的循環容量為933.2 mAh g-1，保持了80.9％的保留率，初始庫侖效率（ICE）為83.37％。
圖1.Si/PCNF的結構和機理。（a）改進了用于Li+傳導的多孔結構，通過該多孔結構可以提供更短的Li+途徑。（b）TGA研究孔的形成過程，表明引入PEG作為孔形成劑是可行的。（c）孔徑分布隨成孔劑的引入而變化。通過引入PEG獲得微孔。
圖2.Si/PCNF的形態和微觀結構。（a）均勻厚度為65μm的Si/PCNF膜的SEM圖像的橫截面（插圖為Si/PCNF膜的俯視圖）。（b）Si/PCNF和Si/CNF的XRD圖譜。（c）Si/PCNF的TEM圖像。Si NPs輕微聚集，并被一層碳覆蓋。（d）高分辨率TEM圖像顯示晶體硅顆粒嵌入碳層中，厚度約為10nm。
圖3.Si/CNF與Si/PCNF的電化學性能比較。（a）兩個電極在電流密度為0.5 A g-1時的循環性能（插圖是相應的庫侖效率）。（b）不同電流密度下電極的額定容量。Si/PCNF中顯示出更高的倍率容量，特別是在高電流密度下。（c）在5 A g-1的電流密度下測量中值電勢。（d）Si/CNF和Si/PCNF的相對Li+擴散效率。以0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mV s-1的掃描速率從循環伏安曲線中獲得的峰值電流。
圖4.不同Si/PCNF電極的電化學性能。（a）Si/PCNF材料在0.2 A g-1的電流密度和（b）0.5 A g-1的電流密度下的循環性能，插圖分別是相應的庫侖效率。（c）倍率容量和（d）倍率容量隨PAN質量比的變化。當電流密度增加到2.0和5.0 A g-1時，Si/PCNF-0.40顯示出最高的倍率容量。（e）比較報道的不同Si/CNF基負極材料的倍率容量。隨著電流密度的增加，Si/PCNF-0.40顯示出最高的倍率容量，尤其是在5.0 A g-1的情況下。（f）不同Si/PCNF負極材料在一系列電流密度下的中值電壓。
圖5.進一步增加PEG時情況惡化的機理。（a）Si/PCNF-0.40和（b）Si/PCNF-0.55處于原始狀態和經過120次循環后的EIS。與Si/PCNF-0.40相比，Si/PCNF-0.55電極顯示在120次循環期間的不穩定阻抗，這表明由于成孔劑過多而導致結構穩定性差。（c）Si/PCNF-0.40和（d）Si/PCNF-0.55在0.2 A g-1的電流密度下循環120次的SEM形態。
