近日，来自郑州大学的崔鑫炜教授、陈加福教授与河南克莱威纳米碳材料有限公司聂艳艳研发团队合作，在国际知名期刊J. Am. Chem. Soc上发表题为“What Is the Real Origin of Single-Walled Carbon Nanotubes for the Performance Enhancement of Si-Based Anodes?”的观点文章。
图1. 单壁碳纳米管与锂化硅通过“力学-化学”界面耦合反应原位重构负极三维网络，增强硅基负极机械性能、电子与离子传输性能示意图。
该观点文章，针对商业化硅基负极必须使用单壁碳纳米管（SWNT）背后的科学问题展开深入研究，通过原位拉曼和分子动力学模拟，揭示了SWNT在硅锂化膨胀应力作用下产生拉伸应变，激活界面“力学-化学”耦合反应，原位锚定粉化硅团簇，促使负极整体原位重构，实现硅基负极机械性能、电子与离子传输性能协同强化的微观机制。
图2.（a）原位拉曼测试示意图；（b）SWNT的RBM峰原位拉曼图；（c）SWNT的G峰原位拉曼图；（d）MWNT的G峰原位拉曼图。
研究背景：动力电池快速发展对负极材料的性能提出了更高要求，具有超高储锂容量的硅基负极材料是提升电动汽车续航里程的首选，但其大规模应用受到了高体积膨胀率（>200%）的严重制约。氧化亚硅材料（SiOx）虽然可以在高容量和高体积膨胀率之间取得较好的平衡，但目前仍只能以较低的含量（≤10 wt.%）添加到石墨负极中形成复合材料来使用。常规的硅基负极结构设计方法如核壳、蛋黄壳结构以及纳米碳材料网络等，虽然能够起到提高传质、稳定结构的作用，但也面临制备复杂和成本较高的问题。为此，我们提出“大禹治水，堵不如疏”的思路，允许硅基材料膨胀，设计原位界面反应，利用负极中本身就需要添加的少量导电剂材料来锚定膨胀过程中产生的粉化硅团簇，提升硅基负极的综合性能。
总结：该项研究从行业痛点出发，针对商业化硅基负极必须使用SWNTs背后的科学问题展开深入研究。研究表明，相比于MWNTs，柔性的SWNTs在硅锂化膨胀的应力作用下，会产生超过14%的拉伸应变，而C-C键的拉长可以有效提升缺陷处C原子的活性，增强其与锂化硅的相互作用，引起C-C键的断裂和边缘sp3碳的出现。同时，在Li原子的桥接作用下，界面上的Si能够与sp3碳形成稳定的Si-C键。该“力学-化学”界面耦合作用既能增强SWNT对于粉化硅基团簇的吸附，避免由于电接触损失形成“死硅”，所吸附的硅基团簇还可以剥离SWNT管束，促进离子在SWNT之间的高速传输。此项工作不仅强调了对电极内所有必要组分进行界面原位调控的必要性，从更广泛的意义而言，还为基于合金化和转化反应的储能电极结构设计提供了不可或缺的理论指导，具有重要实际意义。
