内置的果胶分子粘合剂，用于实现应力适应性互锁的硅阳极结构

《Materials Today Chemistry》：Built-in konjac gum molecular adhesive for stress-adaptive interlocked silicon anodes

本研究通过低维拓扑组装构建rGO@KG@CNTs@Si复合负极，利用Konjac胶作为内置粘合剂增强界面结合，碳纳米管形成三维导电网络抑制体积膨胀，并采用原位阻抗谱等手段揭示其快速锂离子传输机制，实现100次循环后容量保持率2004 mAh/g，为高稳定性锂离子电池负极设计提供新策略。

　　硅基负极材料在锂离子电池中的应用一直是提升电池性能的关键方向之一。由于硅具有极高的理论比容量（约4200 mAh/g）和良好的工作电位，它被视为传统石墨负极的理想替代品。然而，硅在充放电过程中会经历显著的体积膨胀（高达400%），导致电极结构的变形、断裂甚至崩溃，从而引发容量衰减和循环性能下降。此外，硅本身的电导率较低，限制了锂离子和电子的传输效率，进一步降低了其在实际应用中的可行性。因此，如何通过合理的结构设计和高效的制备方法来改善硅基负极的电化学性能，成为当前研究的重点。

为了克服上述问题，研究者们不断探索将硅与其他高性能材料相结合的策略。其中，碳材料因其优异的电子和离子导电性以及机械强度，被广泛用于增强硅基负极的性能。例如，石墨烯（GR）和其衍生物（如还原氧化石墨烯rGO）因其二维片状结构和良好的导电性，被用于构建三维多孔结构的硅基复合负极。而碳纳米管（CNTs）则因其一维量子导电特性，能够形成相互交织的导电网络，从而改善电极的导电性能并缓解硅的体积膨胀效应。然而，传统的碳材料在与硅结合时，往往存在界面结合力不足的问题，导致电子传导通道和锂离子扩散路径不够理想，限制了其实际应用效果。

近年来，一种新型的材料——木薯胶（KG）因其独特的物理化学性质，逐渐受到关注。KG是一种天然食品添加剂，具有优异的粘度、凝胶形成能力和生物相容性。其多样的功能使其在电池领域展现出广泛的应用前景。特别是在硅基负极中，KG不仅可以作为粘结剂，维持电极结构的稳定性，还可以作为导电增强剂，提高电极的充放电性能和循环寿命。此外，KG的优良吸水性和保湿度使其成为电池保护和封装的理想材料，尤其在防止电解液挥发和损失方面具有显著优势，从而提升了电池的安全性和稳定性。然而，KG在热处理后通常呈现出非晶态的碳结构，其刚性的碳骨架无法有效适应硅纳米颗粒的体积膨胀，这限制了其在柔性电子设备和可穿戴设备中的应用。

因此，研究者们开始探索如何通过合理的结构设计，将KG、rGO和CNTs等材料有机结合，构建具有三维网络结构的硅基复合负极。这一思路不仅能够提供更多的电子传输通道和锂离子扩散路径，还能够有效缓解硅的体积膨胀效应，从而提高电极的循环稳定性。在此基础上，研究人员提出了一种简单且可扩展的制备策略，用于构建具有多孔夹层结构的rGO@KG@CNTs@Si复合负极。该策略通过常温凝胶化过程和自组装技术，将KG、rGO、CNTs和硅纳米颗粒均匀分散，形成稳定的三维导电框架。KG在此结构中扮演了“内嵌粘结剂”的角色，通过其凝胶效应，巧妙地将各组分粘结在一起，同时确保硅纳米颗粒的均匀分布。而CNTs则通过相互交织形成导电网络，不仅固定了活性硅颗粒，还有效降低了rGO层的堆叠，从而增强了整个复合材料的导电性能。rGO则利用其平面结构，承担空间分割的功能，实现对不同维度结构的纳米级约束，进一步提升了复合材料的性能。

实验结果表明，该rGO@KG@CNTs@Si-3复合负极在100次循环后仍能保持高达2004 mAh/g的容量，表现出优异的循环稳定性。此外，该电极的界面电阻较低，锂离子传输速率较快，进一步验证了其结构设计的有效性。为了深入理解该复合材料的性能提升机制，研究人员采用了原位电化学阻抗谱、弛豫时间分布和多尺度分子建模等方法，系统分析了各组分之间的相互作用及其对电化学性能的影响。这些研究结果不仅为硅基负极材料的结构设计提供了新的思路，还为构建高效、稳定的锂离子电池负极材料提供了可行的解决方案。

从材料的角度来看，本研究使用的材料包括还原氧化石墨烯（rGO）、碳纳米管（CNTs）、木薯胶（KG）以及硅纳米颗粒。其中，rGO是由XFNANO Materials Technology Co., Ltd. 提供的，而CNTs则来源于Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd. KG和纳米硅则由Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. 提供。此外，聚乙烯吡咯烷酮K30（PVP）和乙醇则由Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. 提供。这些材料的选择基于其在电化学性能和结构稳定性方面的互补性，为构建高性能的复合负极提供了基础。

在合成过程中，研究人员采用了一种结合常温凝胶化和自组装技术的方法，成功构建了具有三维网络结构的rGO@KG@CNTs@Si复合负极。该方法通过控制温度和利用超声空化技术，将GO、KG、CNTs和硅纳米颗粒均匀分散，形成稳定的三维导电框架。同时，KG的丰富含氧官能团能够与rGO和CNTs发生相互作用，增强界面结合力，从而改善电子传导和锂离子扩散的效率。这种结构设计不仅能够提升电极的导电性能，还能有效缓解硅纳米颗粒在充放电过程中的体积膨胀，从而提高电极的循环稳定性。

通过这种结构设计，研究人员成功制备出具有优异性能的rGO@KG@CNTs@Si复合负极。实验结果显示，该电极在高电流密度下仍能保持较高的比容量，表现出良好的倍率性能。此外，在经过110次循环后，该电极仍能保持约2004 mAh/g的容量，显示出卓越的循环稳定性。这些结果表明，通过合理的结构设计和材料选择，可以有效提升硅基负极的性能，为锂离子电池的发展提供新的方向。

为了进一步验证该结构设计的有效性，研究人员还进行了详细的微结构和制备机制分析。研究发现，KG在制备过程中通过氢键相互作用，将各组分紧密粘结在一起，形成稳定的界面。这种界面不仅能够有效降低电极的界面电阻，还能增强电子传导和锂离子扩散的效率。而CNTs则通过相互交织形成导电网络，不仅固定了活性硅颗粒，还有效降低了rGO层的堆叠，从而增强了整个复合材料的导电性能。rGO则利用其平面结构，承担空间分割的功能，实现对不同维度结构的纳米级约束，进一步提升了复合材料的性能。

从实际应用角度来看，这种结构设计不仅能够提高锂离子电池的性能，还为可穿戴电子设备和柔性电子设备的发展提供了新的可能。由于硅基负极在充放电过程中会经历显著的体积膨胀，传统的结构设计往往难以承受这种变化，导致电极结构的破坏。而通过引入KG、rGO和CNTs等材料，构建具有三维网络结构的复合负极，可以有效缓解这种体积膨胀效应，从而提高电极的循环稳定性。此外，该结构设计还能够提高电极的导电性能，使锂离子和电子的传输更加高效，从而提升电池的整体性能。

本研究的成果不仅为硅基负极材料的结构设计提供了新的思路，还为锂离子电池的高性能化和可持续发展提供了可行的解决方案。通过这种创新的结构设计，研究人员成功构建了一种具有优异性能的rGO@KG@CNTs@Si复合负极，该负极在高电流密度下仍能保持较高的比容量，表现出良好的倍率性能和循环稳定性。这些结果表明，硅基负极材料在合理的结构设计和材料选择下，能够克服其固有的缺点，成为下一代锂离子电池的理想负极材料。

综上所述，本研究通过结合多种材料的优势，构建了一种具有三维网络结构的rGO@KG@CNTs@Si复合负极。这种结构不仅能够提高电极的导电性能，还能有效缓解硅的体积膨胀效应，从而提升电极的循环稳定性。通过实验验证和理论分析，研究人员发现该结构设计能够显著改善硅基负极的电化学性能，为锂离子电池的发展提供了新的方向。未来，随着对材料性能的进一步优化和结构设计的不断改进，硅基负极材料有望在更广泛的领域中得到应用，推动锂离子电池技术的进步。