近年來，具有高能量密度和長壽命的自支撐可折疊電極引起了研究人員對柔性電子設備用鋰離子電池（LIBs）的開發興趣。然而，較低的能量密度和緩慢的循環動力學阻礙了它們的實際應用。在這項工作中，通過靜電紡絲、后續熱處理和化學氣相沉積工藝開發了一種具有超高硅含量的自支撐無粘合劑N、O共摻雜3D垂直石墨烯碳納米纖維電極（VGAs@Si@CNFs）。由于高度石墨化的碳納米纖維網絡和豐富的垂直石墨烯陣列，所制備的VGAs@Si@CNFs電極表現出優異的導電性和柔性。這種3D全碳結構能夠提供一種導電且機械堅固的網絡，進一步改善動力學并抑制Si NPs的體積膨脹，特別是在超高Si含量（>90wt%）的情況下。因此，作為LIBs自支撐負極，VGAs@Si@CNFs復合材料表現出優異的比容量（0.05A/g時為3619.5mAh/g）、超長壽命和出色的倍率性能（8A/g下循環1500次后為1093.1mAh/g）。綜上，本工作為開發用于其他儲能設備的自支撐高能量密度電極提供了一種新方法。
圖1.a）通過靜電紡絲和CVD方法制備高柔性VGAs@Si@CNFs電極的示意圖。b）VGAs@Si@CNFs的照片和柔性展示。c）在空氣氣氛下獲得的電極的TGA曲線。
圖2.在靜電紡絲過程中通過調節Si NPs的濃度可控合成VGAs@Si@CNFs。（a，e）Si@CNFs-1，（i，m）VGAs@Si@CNFs-1，（b，f）Si@CNFs-2，（j，n）VGAs@Si@CNFs-2，（c，g）Si@CNFs-3，（k，o）VGAs@Si@CNFs-3，（d，h）Si@CNFs-4和（l，p）VGAs@Si@CNFs-2的SEM圖像。
圖3.Si@CNFs和VGAs@Si@CNFs的形態和成分表征：（a-c）Si@CNFs和（d-i）VGAs@Si@CNFs-1的典型HRTEM圖像，（b，d，f）的插圖為VGAs@Si@CNFs-1的SAED以及（j-m）對應的元素映射圖像。
圖4.各種電極的結構和成分分析。a）XRD圖譜，b）拉曼光譜，c）XPS全掃描光譜以及d）N1s和e）Si2p的高分辨率XPS光譜，f）電解質（LiPF6）和電極的接觸角。
圖5.各種VGAs@Si@CNFs電極用作LIB負極的電化學性能。a）VGAs@Si@CNFs-1電極在0.1mV/s下的初始四個CV曲線。b）0.1mA/g下的循環穩定性。c）VGAs@Si@CNFs-X（X=1，2，3，4）的倍率性能，以及d）VGAs@Si@CNFs-1在不同電流密度下的充放電曲線。e）各種電極在8A/g下的長期循環穩定性，f）GITT曲線，以及g）根據GITT曲線計算的DLi+。h）與文獻中常用方法改性的硅負極的性能比較。
圖6.VGAs@Si@CNFs-1鋰離子存儲行為的研究。a）不同掃描速率下的CV曲線，b）1mV/s下的詳細贗電容貢獻，c）不同掃描速率下的贗電容貢獻率。d）VGAs@Si@CNFs-1電極在0.2A/g時的初始充放電曲線。e）放電/充電狀態下選定深度的非原位XRD圖譜和f）等高線圖。g）不同充電/放電階段的非原位EIS以及h）C1s和i）F1s的XPS光譜。
圖7.柔性軟包電池的實際應用。a-d）VGAs@Si@CNFs-1/LCO全電池在各種彎曲狀態下為LED供電，e-h）相應的SEM圖像。示意圖說明了活性材料與i）Si NPs負極和j）新型VGAs@Si@CNFs負極之間增強的Li+和電子傳輸機制。
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