通过使用白藜芦醇-金纳米复合材料，并结合X射线激活技术，提升氧化石墨烯涂层的抗菌性能，同时保持其促进骨生成的生物活性

《Applied Surface Science》：Enhancing antibacterial performance of graphene oxide coatings by a resveratrol–gold nanocomposite with X-ray activation and preserved osteogenic bioactivity

硅基负极通过氮掺杂碳纳米纤维自支撑结构实现高功率柔性储能。采用分子级碳拓扑与化学协同设计，构建sp2/sp3混合的连续导电网络与三维孔隙体系，同步解决体积膨胀（300%）引发的机械断裂和电化学动力学迟缓问题。实验表明该电极在1 A g-1电流密度下循环200次仍保持507.9 mAh g-1容量，拉伸强度达6.43 MPa，突破传统硅基负极易粉化和导电性差的技术瓶颈。

　　

陶宇|刘宇森|史凯宇|吴瑶|王静|姜萍|张永刚

中国宁波大学材料科学与化学工程学院特种电化学储能技术浙江省重点实验室，宁波 315201

摘要

硅基负极在能量密度方面具有显著优势，但仍然受到结构退化和动力学缓慢的困扰。通过分子层面的碳拓扑结构与化学性质的调控，我们成功克服了这一矛盾。我们开发的独立负极采用精心设计的氮掺杂碳纳米纤维基质，包裹着硅碳颗粒。这种结构具有协同作用：sp2/sp3杂化基质提供了电子传输通道和机械缓冲，而特定的氮元素配置实现了快速的表面主导型锂离子存储。这种多尺度设计使得该电极在1 A g?1的高电流下经过200次循环后仍能保持507.9 mAh g?1的容量，为开发耐用、高功率的柔性电池开辟了新途径。

引言

锂离子电池（LIBs）是现代储能技术的基石，对于推动电动汽车（EVs）的发展和便携式电子产品的持续小型化至关重要，因为它们不断突破能量密度的极限[1]、[2]、[3]。尽管石墨由于其长循环寿命和低成本[4]、[5]而成为商用锂离子电池中普遍使用的负极材料，但其较低的理论比容量（约372 mAh g?1）从根本上限制了先进电动汽车和电子产品对能量密度的进一步提升[6]。随着对续航里程更长的电动汽车和更高容量的便携式电子产品需求的增加，寻找高容量替代负极材料变得至关重要[7]、[8]、[9]。

硅（Si）是一种有前景的下一代负极材料，因为它具有较高的理论容量（Li??Si?，4200 mAh g?1）和合适的操作电位[10]、[11]、[12]。然而，基于合金化的锂离子存储机制在锂化/脱锂过程中会导致高达300%的体积膨胀，这对实际应用构成了重大障碍[13]、[14]。循环过程中的巨大体积变化会引发一系列故障机制：（i）活性材料的粉碎，（ii）由于与集流体分离而失去电接触，以及（iii）固体电解质界面（SEI）的持续断裂与重构。这些现象最终导致电极结构退化、容量迅速下降和循环寿命显著缩短[15]、[16]。为此，研究人员提出了多种策略，主要包括：制备纳米结构或多孔硅以减轻内部应力[17]、[18]、[19]；与碳质材料（如涂层或基质）复合以增强导电性和适应体积变化[20]、[21]、[22]、[23]；开发坚固的聚合物粘合剂以增强电极的凝聚力[24]、[25]、[26]；以及配制功能性电解质以形成稳定的SEI[27]、[28]、[29]、[30]。例如，陈等人通过镁热还原法在纳米级硅表面涂覆碳层，然后进行喷雾固化，制备出了硅碳复合材料，在1 A g?1的电流下经过173次循环后仍能保持1159 mAh g?1的容量[31]。类似地，张等人利用竹炭通过镁热还原制备出三维多孔硅，并用碳化聚丙烯腈衍生的氮掺杂非晶碳进行涂层处理，得到了三维多孔Si/氮掺杂碳复合材料，在0.2 A g?1的电流下经过120次循环后仍能保持603 mAh g?1的可逆容量[32]。然而，这些方法复杂、能耗高且难以大规模应用。电纺技术已被证明是制备柔性电极的有效方法，其中碳纳米纤维（CNFs）作为结构框架[33]；同样，原位生长碳纳米管（CNTs）以构建导电网络也被证明是设计自支撑电极的有效策略[34]。这种连续的导电碳网络能够实现高效的电子传输。此外，其固有的多孔结构为活性材料（如硅颗粒）在循环过程中的体积膨胀提供了缓冲空间，减轻了内部应力，并促进了电解质的渗透和离子传输。这种由导电网络和多孔空间组成的独特结构确保了对硅颗粒的有效物理限制和应力缓冲。其纳米级特性缩短了离子和电子的传输路径，从而提高了电极的动力学性能。此外，这种方法可以直接制备无需粘合剂的自支撑电极，简化了传统电极的复杂工艺，并通过减少非活性成分的比例提高了整体能量密度[35]、[36]。尽管取得了这些进展，但大多数报道的策略仅部分解决了硅基负极中固有的机械-电化学耦合问题。真正的瓶颈在于传统电极结构无法在现实操作条件下同时应对巨大的体积应变和确保超快的电荷传输，尤其是在需要稳定界面且可能无需外部压力的固态电池配置中[37]、[38]。

在这里，我们提出了一种合理的电极架构，从根本上解决了硅基负极中机械应力分散与电化学动力学之间的内在矛盾。我们超越了传统的复合设计，提出了一种自适应应力、双导电的集成电极，通过独立的氮掺杂碳纳米纤维网络来承载Si@C颗粒。关键创新不在于电纺技术本身，而在于通过前驱体选择和热调控实现的碳基质的微观结构调控，从而获得“刚柔并济”的三维支架。在这种架构中，石墨化的sp2区域形成了连续的电子传输通道，而相互连接的富sp3非晶区域提供了机械柔顺性和应力缓冲。同时，精确引入的氮功能基团（如吡啶基/吡咯基氮）增强了界面离子传输并引入了明显的赝电容效应。这种多功能集成实现了电子、离子和机械应变的协同管理，使其性能超越了传统电极。我们认为，这种材料的设计理念为下一代高能量柔性储能设备开辟了新的方向。

部分内容

CNF/Si@C的制备

将聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量约130,000）、聚丙烯腈（PAN，分子量约150,000）和硅碳颗粒（购自中国山山科技有限公司）溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99.8%）中。在电纺过程中，施加电压和注入速率分别保持在10 kV和0.3 mL·h?1。随后，样品在空气中270°C下稳定2小时，然后在氮气氛围中碳化

结果与讨论

如图1a–c所示，所得CNF/Si@C-X负极具有显著的机械柔韧性，能够反复弯曲而不会断裂；拉伸测试证实了其高机械强度，其中CNF/Si@C-37.5的拉伸强度为6.43 MPa。扫描电子显微镜（SEM）显示，前驱体和CNF/Si@C-X负极均保持了连续的三维纤维网络，其特征是纳米纤维紧密交织且排列均匀（见图S1）。

结论

总之，我们发现推进硅基负极技术的关键不在于合成方法本身，而在于电极内部结构的精心设计。我们制备了一种具有刚柔并济的氮掺杂碳网络的独立负极，该网络通过前驱体和热控制精心构建，具有多种功能：其sp2碳晶体形成电子传输通道，富sp3的非晶基质分散机械应力

CRediT作者贡献声明

陶宇：撰写——原始草稿，可视化，方法学，实验研究，数据分析，概念化。刘宇森：验证。史凯宇：验证。吴瑶：指导。王静：指导，撰写——审稿与编辑，验证，方法学，数据分析。张永刚：可视化，指导，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（编号52403123）、催化国家重点实验室（编号N-23-02）、宁波市科技计划项目（资助编号2025Z064）、浙江省自然科学基金（编号LQ24E030015）、中央政府引导的地方科技发展基金项目（编号2025ZY01059）以及宁波市自然科学基金（编号2024J118）。