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硅作為下一代鋰離子電池(LIBs)具有廣闊前景的負極候選物，引起了廣泛關注。然而，巨大的體積變化和固有的低電子/離子電導率將阻礙其進一步發展。

西北大學王惠、劉肖杰等提出了源于0D Si/C納米結構衍生的1D、2D和3D聚集體，以實現硅負極的高結構穩定性和快速離子運輸。

圖1 材料制備及表征

考慮到納米硅與中空碳結合的優越性，將浸在中空碳殼（SHC）內部和骨架中的硅納米點作為初始0D納米球結構，以形成1D、2D和3D聚集體。主要的SHC納米構件具有以下幾個優點：

（a）具有納米尺寸的0D納米球和硅納米點可以縮短離子轉移路徑，降低內應力；

（b）碳殼和硅之間的內置內部空隙也有利于形成穩定的SEI層，并為硅的自由膨脹提供空間；

（c）碳殼可以進一步避免硅納米點直接暴露在電解液中，提高SEI穩定性，并用作受限硅的化學反應器；

（d）具有隨機分布和多點物理接觸的內部微小硅納米點可以增加導電性，并將鋰離子擴散長度減小到納米級，從而獲得增強的鋰存儲性能。

圖2 鋰半電池性能

因此，基于0D SHC納米球的優點，通過簡單的靜電紡絲技術制備了有序錨定在氮摻雜碳纖維上具有項鏈狀形狀的1D SHC納米球（SHC/NCF）。此外，SHC納米球通過一種簡單、易于操作的旋涂技術進行定向和堆疊以形成2D平面結構，其中SHC納米球圍繞前、后、左和右側面相互連接。此外，SHC納米球通過連續的氮/碳基體相互連接，并通過靜電紡絲自組裝成完全由薄氮/碳殼（SHCM）包圍的3D微球結構。

當將1D、2D和3D產品用作LIBs的負極時，在電化學性能方面，1D優于2D和3D樣品，對于鋰半電池，1D SHC/NCF纖維在0.5 A g^-1下循環1200次后可提供 2000 mAh g^-1的容量，在 1 A g^-1下循環600次后可提供 1300 mAh g^-1的容量，對于鋰全電池，在0.5 A g^-1下循環200次后可提供453.5 mAh g^-1的容量。相信這項工作可以為其他相關基本材料提高其儲能性能提供有價值的指導。

圖3 1D、2D和3D電極不同電極結構組件的結構穩定性

Adjustable Dimensionality of Microaggregates of Silicon in Hollow Carbon Nanospheres: An Efficient Pathway for High-Performance Lithium-Ion Batteries. ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c08866

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