Edge-Surface-Inter Carbon Nanoarchitecture on Silicon

材料科学 碳纤维 纳米技术 GSM演进的增强数据速率 曲面(拓扑) 化学工程 光电子学 复合材料 计算机科学 复合数 电信 几何学 数学 工程类
作者
Yin Yang,Jian Wang,Dong Sun,Yulong Li,Ting Ting Xiao,Chen Zhang,Changbo Lu,Jinsen Gao,Chunming Xu,Yongfeng Li,Xinlong Ma
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00371
摘要

The huge volume changes of silicon (Si) anodes during cycling lead to continuous solid electrolyte interphase thickening, mechanical failure, and loss of electrical contact, which have become key bottlenecks limiting their practical applications. This work presents a trimodal in situ growth strategy for constructing hierarchical carbon nanoarchitecture networks on Si substrates (Si@Gr@CNT). The designed "Edge-Surface-Inter" (E-S-I) architecture exhibits three synergistic features: an edge-protruding structure forming vertical conductive channels for rapid Li+ transport, a surface-entangled structure providing mechanical enhancement, and an interbridging structure constructing continuous three-dimensional electron transport networks. The Si@Gr@CNT electrode demonstrates a 63.2% improvement in half-cell rate performance compared with traditional Si@Gr. The E-S-I architecture contributes to suppressing excessive LiF formation through improved local current distribution, devoted to the stable and thinner solid electrolyte interphase layer. The three-dimensional conductive network possesses a significant stress regulation effect, which provides stress release space in the vertical direction and lateral stress buffering through surface flexible entanglement. For practical applications, the full cell assembled with the LiFePO4 cathode and the Si@Gr@CNT/graphite composite anode delivers high energy density and enhanced durability. This study establishes a strategy for hierarchical carbon nanoarchitectures and provides design insights into high-performance Si-based electrodes.
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