硅因具有远高于石墨的储锂容量，一直被视为下一代锂离子电池中极具潜力的负极材料。然而，在充放电过程中，硅会经历剧烈的体积膨胀和收缩，容易引发电极结构开裂、导电网络中断，从而加速电池性能衰减，缩短使用寿命。

世宗大学研究团队针对这一难题，设计并制备了一种自支撑硅负极结构。相关成果发表在期刊《Advanced Fiber Materials》上，论文题为《CNF支持的自支撑硅负极及其均匀颗粒状Si/SiOx界面，用于高倍率、长寿命锂离子电池》。

传统硅负极通常采用浆料涂覆方式：将活性物质、导电剂和粘结剂混合后涂覆在金属集流体上。这种结构不仅增加了无活性成分的重量，还会在反复充放电过程中产生不稳定界面，影响电极的长期稳定性。

与之相比，世宗大学团队提出的方案是构建无需传统集流体的自支撑电极。其核心在于利用碳纳米纤维（CNFs）同时作为结构骨架和导电网络，使电极本身具备机械支撑和电子传输功能。

在此基础上，研究人员通过在每根碳纳米纤维表面引入水解-缩合反应，使硅能够均匀沉积并沿CNF网络形成连续的Si/SiOx界面。示意图表明，这一分步工艺最终构筑出完整的自支撑硅负极结构。

这种设计的关键优势在于：即便硅在循环过程中发生显著体积变化，电极仍能维持其多孔网络结构和有效的电接触，从而减轻机械应力带来的损伤。

显微结构和光谱表征结果显示，硅层在碳纳米纤维核心外侧形成了一层连续而较薄的壳层，没有出现明显的团聚或过度包覆现象。这种均匀包覆有助于保持纤维之间的连接点和离子传输通道的畅通，兼顾结构稳定性与传输效率。

电化学性能测试表明，该自支撑硅负极在0.1 A g⁻¹电流密度下可实现727.1 mAh g⁻¹的比容量。在1 A g⁻¹高倍率条件下循环2000次后，容量仍能保持初始值的79.8%。在与NCM622正极组装的全电池测试中，初始容量达到176.5 mAh g⁻¹，经过300次循环后容量保持率为91.6%。

此外，团队还观察到循环过程中电荷转移阻抗呈下降趋势，说明该结构有利于加快电化学反应动力学，支持更快速的充放电过程，并延长电池使用寿命。

研究人员指出，这种兼具结构稳定性和优异倍率性能的自支撑硅负极设计，适用于对快速充电和长循环寿命均有较高要求的应用场景，如电动汽车和大规模储能系统。

“本研究的核心在于，碳纳米纤维不仅充当支撑材料，更是自支撑硅负极的结构与导电骨架。”杨贤宇教授表示，“通过让硅在每根纤维表面均匀分布，我们显著提升了电极的结构稳定性和电化学性能。”

金善宰教授补充称：“硅负极长期受制于循环过程中的结构退化。本研究提出了一种新的解决路径，有望推动高容量硅负极在下一代锂离子电池中的更广泛应用。”