【研究背景】
硅基材料因具有理论比容量高、储锂电位低等优势，是构筑高能量密度锂离子电池负极材料的热门选择。但硅在嵌锂/脱锂过程中巨大的体积效应会导致严重粉化，硅在循环过程中与导电网络逐步脱离是造成电极循环稳定性不佳的主要因素。目前的研究工作集中在将硅与各种炭材料进行复合及对硅碳材料进行纳米结构设计，不仅成本高，而且大多数工作是在低电极负载量下进行测试的，实际面容量较低（<3 mg cm-2），不利于硅的商业化应用。
【文章简介】
近日课题组在Chemical Engineering Journal 期刊（SCI一区，IF=15.1）发表题为“High fractal-dimensional carbon conductive agent for improving the Li storage performance of Si-based electrode”的研究文章。
从解决硅因巨大体积效应而引起“脱电”这一难点出发，该工作报道了一种适用于硅基电极的具有高分形维数的三维交联石墨烯纳米条带导电剂（HFGR-400），该导电剂由宽度为200-500 nm长度为几微米的石墨烯条带空间交联而成，不仅在硅基电极中构筑了具有空间延展特性的三维导电网络，而且其表面的含氧基团使其能够与硅羟基及粘接剂分子链间形成氢键作用，极大增强电极的机械稳定性。此外，该导电剂的高分形结构使其在增大导电剂与硅接触面积的同时，在整个电极中形成了三维贯通锂离子传输通道。得益于以上优势，使用该导电剂的硅基电极在2.4 mg cm-2的较大活性材料负载量下，循环200圈后仍然保留了3.5 mAh cm-2的高面容量（满足商业负极面容量指标），优于大多数文献报道硅基电极的性能。该工作从设计高分形维数炭导电剂的角度，显著提升了硅基电极的面容量和循环稳定性，并揭示了导电剂的高分形维数结构对其性能的影响，为推动硅基电极的商用化进程提供了有益帮助。
论文第一作者为中国石油大学（华东）博士研究生林月强，通讯作者为张苏副教授和范壮军教授。且围绕高分形维数石墨烯条带在硅基电极中的应用，课题组已申请两篇中国发明专利：【一种用于金属离子电池的三维带状石墨烯复配导电浆料】和【一种电池负极用导电粘接剂及其制备方法】。
图 高分维石墨烯条带用作硅基电极导电剂
论文链接
Lin, Y.; Qi, B.; Huangfu, C.; Yang, X.; Liu, Z.; Zhang, S.; Wei, T.; Fan, Z., High fractal-dimensional carbon conductive agent for improving the Li storage performance of Si-based electrode. Chemical Engineering Journal 2024, 148502. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148502