中国石油大学（北京）李永峰、马新龙团队在ACS Nano发表最新成果，成功设计了一种名为“边缘-表面-内部”（E-S-I）的三维碳纳米结构（Si@Gr@CNT），显著提升了硅基锂离子电池阳极的性能。该结构通过石墨烯与碳纳米管的协同作用，有效抑制硅的体积膨胀，同时优化离子和电子传输路径，为高能量密度电池的实用化迈出关键一步！
硅因其超高理论容量(4200mAh/g)被视为下一代锂离子电池的理想阳极材料，但其充放电过程中300%的体积膨胀会导致电极破裂、SEI层(固体电解质界面)增厚和电接触失效，最终引发容量快速衰减。传统碳包覆策略(如石墨烯)虽能缓解部分问题，但单一维度的设计难以兼顾导电性、机械强度和离子传输效率。
超高首效：首次库仑效率达90.02%，接近商用硅阳极标准(>90%)。
倍率性能提升：在1.0A/g高电流下，容量保持率较传统Si@Gr电极提升63.2%。
超长循环寿命：300次循环后容量保持率71.2%，衰减率仅0.096%/次。
全电池验证：搭配LiFePO4正极，能量密度达404.46 Wh/kg，250次循环后容量保持率 94.35%。
应力调控：通过有限元模拟发现，E-S-I结构将硅颗粒的最大应力从20 GPa降至12 GPa，避免局部碎裂。
SEI层优化：三维导电网络均匀分布电流，抑制绝缘成分LiF的过量生成，形成更薄且稳定的SEI层。
快速动力学：垂直碳纳米管将锂离子扩散系数提升至传统电极的2倍，显著降低极化。
图2：Si@Gr@CNT与Si@Gr复合材料的物理化学性质及界面分析。
图3：Si@Gr@CNT、Si@Gr和Si电极的电化学性能评价。
图4：Si@Gr@CNT和Si@Gr电极的动力学分析及界面演化。
图5：Si@Gr@CNT电极的多维表征及其协同机制。
图6：Si、Si@Gr和Si@Gr@CNT复合材料应力演化的有限元分析。
这项研究不仅为硅基阳极的设计提供了新范式，还揭示了多维碳结构在能源材料中的巨大潜力。未来发展方向包括:
2. 电解液适配：开发匹配高稳定性电极的新型电解质。
4. 材料拓展：将E-S-I设计理念应用于锡、锗等高容量材料。
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