近日，工程陶瓷研究院（简称：工陶院）2021级硕士研究生付洁以第一作者身份在国际知名期刊《Nano Research》上发表了题为“3D printed silicon-based micro-lattices with ultrahigh areal/gravimetric capacities and robust structural stability for lithium-ion batteries”的学术论文。

纳米结构硅作为锂离子电池（LIB）极具前景的负极材料受到广泛关注，具有理论比容量大、离子扩散路径短、能有效抑制硅体积变化等优点。遗憾的是，已报道的储锂性能优越的纳米结构硅通常借助于低面积载量（<1.5 mg cm^-2）下集流体良好的导电性和薄电极充分的离子扩散动力学实现，其面积比容量很难超过当今的LIB（<3 mAh cm^-2）。为了增强硅电极在高质量负载下的储锂性能，等比例提高电子传输和离子扩散速率以及电极机械强度显得至关重要。相比于浆料涂覆法，3D打印技术为构建具有高载量的高性能电极提供了有效的选择。

该工作结合直写3D打印技术和真空冷冻干燥制备了具有周期性通道、多孔化电极丝和交联碳质导电网络的3D打印硅-石墨烯-碳纳米管（3D-Si/G/C）电极，在高载量下同时实现了高面积比容量和高质量比容量。电极丝上的分级多孔和周期性分布的大尺寸通道使电极能被电解液充分浸润，赋予其快速的离子传输路径和丰富的离子储存位点，从而增强了电化学反应动力学和反应活性。三维石墨烯网络与CNT相互包覆缠绕形成连续的导电网络实现了厚电极内部快速的电子传导，同时作为应力释放的弹性骨架。电极3D-Si/G/C在12.9 mg cm^-2的面积载量下同时表现出了的12.8 mAh cm^-2的高面积比容量和1007 mAh g^-1的高质量比容量。原位光学显微镜观测和非原位扫描电子显微镜（SEM）表征证实了多孔的电极丝和连续的碳质网络有效地抑制了锂化/去锂化过程中硅的体积变化。3D打印的全电池（3D-Si/G/C//3D-LiFePO₄/G）具有优异的循环稳定性（循环50次后容量保持率为80%），初始库仑效率（ICE）为96%。这项工作验证了3D打印技术在构建高载量硅负极上的可行性，该策略也可应用于其他具有高理论比容量的合金型负极。

图1 三维硅基电极3D-Si/G/C的制备示意图

山东理工大学材料科学与工程学院为本文第一署名单位，温广武教授和王东副教授为本文的共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1007/s12274-023-6113-0