硅基負(fù)極因其高容量而被認(rèn)為是下一代鋰離子電池的理想候選材料。但循環(huán)過程中導(dǎo)電性低、體積變化大，不可避免地導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性較差。

在此，清華大學(xué)魏飛教授、張晨曦教授等人利用單壁碳納米管（SWCNTs）網(wǎng)絡(luò)和SiOx@C之間強(qiáng)大的范德華力，用干法制造了一種無粘合劑的硅基電極。作者還進(jìn)一步探索SWCNT和多壁碳納米管（MWCNTs）作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的不同機(jī)制。

通過實(shí)驗(yàn)得到SiOx@C|SWCNT負(fù)極獲得了較高的初始放電容量（1785 mAh g^-1）、較高的初始庫(kù)倫效率（ICE，81.52%）以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，其鋰離子擴(kuò)散系數(shù)（DLi+）比SiOx@C|MWCNT高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1. SiOx@C|SWCNT和SiOx@C|MWCNT負(fù)極的電化學(xué)性能

此外，作者還通過原位拉曼光譜和理論分析詳細(xì)闡明了其基本機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，即使在高達(dá)6.2GPa的拉伸應(yīng)力下，SWCNTs也能與SiOx@C保持良好的接觸，而MWCNTs在長(zhǎng)期循環(huán)過程中由于高達(dá)8.9GPa的交替壓縮應(yīng)力和高達(dá)2.5GPa的拉伸應(yīng)力而失去電接觸。

在這種非常大的應(yīng)力下，更靈活的SWCNTs和它們更強(qiáng)的范德華力確保SiOx@C仍然與SWCNTs有良好的接觸。

由于SWCNTs具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、高長(zhǎng)徑比和出色的柔韌性，它與硅基材料有良好的電接觸。受益于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和連續(xù)的離子/電子傳輸途徑，SiOx@C|SWCN負(fù)極表現(xiàn)出高的初始庫(kù)侖效率、穩(wěn)定的循環(huán)和高速率性能，這是使用傳統(tǒng)LIB電極技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。

因此，這項(xiàng)工作為表征電接觸提供了一種新的策略，也為理解SWCNT區(qū)別于其他導(dǎo)電劑提供了新的思路。

圖2. 原位拉曼光譜下，SWCNTs和MWCNTs在循環(huán)過程中的應(yīng)力變化

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