1成果简介
　　硅基阳极具有较高的理论容量，但存在导电性差、体积膨胀大和固体电解质相（SEI）不稳定等问题。添加碳纳米管（CNT）和碳涂层都是解决上述问题的有效方法。碳纳米管固有的 sp2 共价结构赋予其优异的导电性、机械强度和化学稳定性，使其适用于各种储能应用，如锂离子电池（LIB）。除导电网络外，碳纳米管还可作为电流收集器、机械探针和机械框架，在构建下一代电池结构方面具有潜力。碳涂层是具有良好化学稳定性的离子电子混合导体，可提供机械支持并缓解硅基材料的体积膨胀。
　　本文，清华大学张晨曦    副研究员、魏飞 教授团队《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Advances in Carbon Nanotubes and Carbon Coatings as Conductive Networks in Silicon-based Anodes”的综述，研究概述了碳纳米管和碳涂层作为硅基阳极导电网络的进展，以及对其未来发展的见解。文章深入分析了导电网络的渗流和机械机制，强调了灵活的长程导电性的重要性，并对应力、界面稳定性和电子/离子传输之间的关系进行了解耦。从基础研究成果到工业化应用等多个角度综述了近年来碳纳米管和碳涂层作为导电网络的应用进展。然后，讨论了未来的发展和面临的挑战。
　　2图文导读 
　　2.1 碳纳米管在硅基阳极中的应用
　　碳纳米管在维持硅基阳极的导电性和结构稳定性方面起着至关重要的作用。碳纳米管的柔韧性提供了机械支撑，适应了硅基材料的显著体积变化，而它们的高纵横比和低渗透阈值为电子传输提供了连续的路径。除了导电网络外，碳纳米管还可以充当集流体和粘合剂。然而，CNT/Si基复合材料结构仍存在局限性，例如无法减轻界面副反应。
　　2.2  5种组合的碳纳米管和碳涂层的
　　碳涂层可以在一定程度上缓解体积膨胀，增强导电性，减轻界面副反应。然而，碳包覆的硅基材料仍有一定的局限性。碳涂层工艺是一种颗粒级别的 2D 优化，无法在颗粒之间提供完全的长程传导。在这种情况下，CNT 仍然是维持性能所必需的。因此，硅基阳极的稳定循环需要碳涂层和碳纳米管的协同耦合。

　　图1、碳涂层和碳纳米管策略的结合
　　2.3 碳纳米管的力学机理

　　图2、碳纳米管作为导电剂的机械机制。
　　2.4 大规模生产碳纳米管
　　碳纳米管的进步可以彻底改变电池架构，包括阴极/阳极、导电剂和集电极。目前，电池仍基于索尼在1991年开发的模型。碳纳米管在电池中用作导电剂，可以在电极中替换。然而，在硅基阳极时代，由于硅的导电性差和体积膨胀大，需要碳纳米管来解决长程导电性和局部柔韧性的挑战。换言之，需要更长、更灵活的碳纳米管来保持长程导电性和机械稳定性，并缓解体积膨胀。碳纳米管阵列具有优异的导电性和柔韧性，可以承担更复杂的功能，如导电性、机械加固、粘合剂和集热剂。事实上，CNT不仅是一种导电剂，而且是一种有序的导电结构和机械结构。因此，Si基负极用CNTs的量产应综合考虑上述问题。
　　迄今为止，碳纳米管通过湿法（水性导电添加剂）和干法（CVD涂层或CNT膜）应用于锂离子电池中。碳纳米管的广泛应用是一个典型的工程问题，涉及原子尺度的碳原子自组装、碳纳米管组织、反应器尺度的碳纳米管流体力学性能和动力学、设施的工艺设计和强化以及全球的环境、健康、安全和生态因素。基础科学研究与工业生产之间的差距可以看作是碳纳米管的多尺度过程工程，可以通过以下五个层次的多学科研究来弥合。

　　图4、大规模生产碳涂层硅基材料。
　　3小结与展望
　　几十年来，硅基阳极因其高理论容量、适当的工作电压和丰富的接地特性，在电池中得到了广泛的研究。然而，它存在各种问题，例如导电性差、显著的体积膨胀和不稳定的 SEI。添加碳纳米管和碳涂层是保持硅基阳极导电性和结构稳定性的两种有效方法。碳纳米管和碳涂层的进步可以彻底改变电池的阴极/阳极、导电剂和集电极。目前的电池系统起源于索尼在1991年的配置，最初CNTs仅用作导电剂以提高导电性。然而，在硅基阳极时代，需要更长、更灵活的碳纳米管来解决长程导电性、机械不稳定性和局部柔韧性的挑战，并缓解体积膨胀。碳纳米管应执行复杂的功能，例如导电性、机械加固、粘合剂/粘合剂和集流体。在这种情况下，传统的电池系统和基于浆料的方法需要迭代更新。未来的电极可以是以 CNT 导电网络为主的集成梯度结构，这些导电网络充当导电性、增强、集流体和粘合剂，从而在容量、循环性能和安全性方面实现更高水平的电池。
　　本文简要介绍了硅基负极的优势和面临的挑战，并全面综述了利用导电网络（如碳纳米管和碳涂层）提高电化学性能的研究进展。得出的结论和前景如下。
　　在颗粒水平（图5a）上，电导率取决于力学。有必要将多孔结构、碳涂层和长碳纳米管结合起来，以平衡机械性能和导电性。此外，还应考虑无定形硅和非无定形碳。
　　在网络层面（图5b），有组织和功能化的碳纳米管（例如，具有PVDF、PTFE和PPTA等粘合剂的复合材料）的网状结构是导电网络的未来研究方向。由于其长程导电性和粘附性，功能化碳纳米管有望制造多级集成干电极。
　　在电极层面（图5c），设计仍然需要旋转（图5c）。集成式干电极在未来应该具有竞争力。由碳纳米管和活性材料组成的无粘合剂干电极仍然存在一些问题。其力学性能和稳定性不能满足实际要求。一个有效的策略可能是同时发展CNT网络和硅基材料，其次是碳基收集器并扩大规模。
　　未来对具有高体积膨胀的合金型阳极进行设计时，需要系统地考虑柔韧性、导电性、体积膨胀、离子通道、密度、成本、安全性和结构稳定性（图13d）。这需要重新设计基于新型纳米复合材料的结构和组装架构，并为硅基电池创建新的架构，这超出了传统设计的范围。

　　图5、摘要和展望。

　　文献：