Synergistic Hierarchical Design of a 3D CNT Conductive Network and N,S‐Doped Carbon Coating for Ultrastable Silicon Anodes

法拉第效率 材料科学 阳极 导电体 碳纳米管 电解质 纳米技术 相间 扩散 碳纤维 涂层 化学工程 密度泛函理论 电流密度 双金属片 电极 工作(物理) 扩散阻挡层 吸附 电场 快离子导体 纳米管
作者
Dehua Li,Hao Yang,Hong Gao,Zeqi Huang,Ying Ma,Jianshan Ye,Nan Li
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e74951-e74951
标识
DOI:10.1002/smll.74951
摘要

ABSTRACT Silicon anodes, despite their high theoretical capacity, face critical challenges such as severe volume expansion (> 300%), sluggish reaction kinetics, and unstable solid electrolyte interphase (SEI) formation. Herein, we report a hierarchical Si@C/N,S@CNT composite, integrating an N,S‐doped carbon shell with an interwoven carbon nanotube (CNT) network. This design synergistically accommodates strain, establishes rapid electron pathways, and stabilizes the interface. In situ EIS analysis verifies the formation of a stable, low‐impedance interface and enhanced charge‐transfer kinetics. Density functional theory (DFT) calculations reveal that the N,S co‐doping induces a built‐in electric field at the carbon‐silicon interface, significantly boosting Li + adsorption and reducing its diffusion barrier. Consequently, the Si@C/N,S@CNT anode delivers an outstanding combination of properties: a high initial Coulombic efficiency of 87.2%, exceptional long‐term cyclability (1325 mAh g −1 after 1000 cycles at 1 A g −1 ), and a Li + diffusion coefficient nearly three orders of magnitude higher than that of bare silicon. When paired with a LiFePO 4 cathode, the full cell exhibits remarkable stability, retaining 82.5% capacity after 1000 cycles. This work demonstrates a potent multiscale design principle, where a 3D conductive network synergizes with an engineered interface to effectively overcome the fundamental limitations of silicon anodes.
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