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SiOx/C纳米球及其石榴状组装微球用于高性能锂存储

【前沿】

锂离子电池(LIBs)具有能量密度高,循环寿命长,环境友好等特点,给我们的生活带来了极大的便利。负极材料作为锂离子电池的的重要组成部分得到了广泛的研究,其中商业化石墨具有价格低廉,循环稳定性好等优点,但其较低的比容量不能满足下一代锂离子电池的需求。SiOx负极材料由于具有较高的理论容量(SiO2 1965mAh/g, SiO 2680mAh/g)而得到广泛研究,但其充放电过程中体积膨胀现象导致电极结构破坏严重,容量急剧衰减,另外其低的导电性导致倍率性能较差。目前解决SiOx负极材料体积膨胀和低导电性的措施主要为降低粒径和包覆导电碳材料。虽然碳材料的引入改善了锂离子电池的循环稳定性和倍率性能,但纳米材料的团聚现象和低的振实密度仍然不能解决。通过合成石榴状SiOx/C负极材料有效解决了纳米材料的缺点,同时其优异的结构特点使得电化学性能得以保持,武汉理工大学的麦立强教授课题组通过溶胶凝胶法成功合成了超细SiOx/C纳米球(~40 nm)材料,并进一步通过喷雾干燥法组装为石榴状SiOx/C微球。当其用于锂离子电池负极材料方面时,均表现出优异的电化学性能。该文章发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上(影响因子:9.931)。

 

【核心表述】                           

SiOx/C纳米球及其石榴状组装微球用于高性能锂存储

图1. SiOx/C纳米球及其石榴状SiOx/C合成示意图。

SiOx/C纳米球及其石榴状组装微球用于高性能锂存储

图2. (a-b)SiO2/树脂-2,(c-d) SiOx/C-2,(e-f)中空碳球的SEM和TEM图像,(g-l)单个SiOx/C-2纳米球C,N,O和Si的EDS元素mapping。

SiOx/C纳米球及其石榴状组装微球用于高性能锂存储

图3. SiOx/C-2(a)充放电曲线,(b)电流密度为0.2A/g的循环性能和库仑效率,(c)SiOx/C纳米球在0.5A/g 的循环性能对比,(d)SiOx/C-2在1A/g下循环1000次的循环性能和库仑效率,(e)在0.1至2A/g下的倍率性能。 

SiOx/C纳米球及其石榴状组装微球用于高性能锂存储

图4. 石榴状SiOx/C-2的 (a-b) SEM和 (c) TEM图像,(d)电流密度为0.5A/g的循环性能和库仑效率。

 

超细SiOx/C纳米球复合材料作为LIBs负极时具有优异的电化学性能,在0.2A/g的电流密度下首次放电容量达到了1829 mAh/g,200次循环后容量仍可高达895mAh/g,容量保持率接近100%。在1 A/g大电流密度下循环1000圈之后其容量仍然保持在828 mAh/g

虽然纳米材料具有高的电化学活性和较短的电荷转移路径,其团聚现象不可避免并且具有低的振实密度。为了结合纳米材料和微米级材料的优点,采用喷雾干燥将SiO2/树脂纳米球组装为石榴状微球,纳米颗粒之间堆积形成的介孔孔道将更有利于离子的扩散和转移。通过测试表明,在0.5A/g的电流密度下经过200次循环后容量仍可高达1024 mAh/g

通过对其结构和电化学性能的研究,认为其优异储锂性能的原因主要为:(1) 在SiOx/C纳米球中,SiOx核作为主要的活性组分可大幅提高材料的比容量;(2)较厚的碳壳作为第二活性组分,不仅提高了电极材料的导电性,同时也抑制了SiOx在脱嵌Li过程中的体积膨胀现象;(3)超细SiOx/C纳米球(~40 nm)减少了Li离子扩散路径,其丰富的孔隙结构加速了Li离子的扩散;(4)将纳米级SiOx/C球组装为石榴状微球,在保持其电化学性能的同时避免了纳米材料的团聚现象,具有更高的实际应用价值。  

 

材料制备过程

SiOx/C纳米球: 将0.2g 间氨基苯酚和0.255g六亚甲基四胺溶解于20mL 去离子水中,室温搅拌20min后加入0.15g表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵),搅拌20min溶解后逐滴加入1.2mL四丙氧基硅烷并在室温下搅拌10min,然后将其在85℃水浴锅中密闭搅拌24 h。将所得溶液用去离子水和无水乙醇离心洗涤后在80℃烘箱中干燥。最后在800℃管式炉中N2气氛煅烧5h得到产物。

石榴状SiOx/C纳米球:将上述所得SiO2/树脂复合纳米球分散在去离子水中并超声分散12h,通过喷雾干燥一步得到石榴状SiO2/树脂微球,并进一步在800℃管式炉中N2气氛煅烧得到产物。

 

Qiang Yu, Peipei Ge, Zhenhui Liu, Ming Xu,Wei Yang, Liang Zhou, Dongyuan Zhao, Liqiang Mai, Ultrafine SiOx/C Nanospheres and Their Pomegranate-Like Assemblies for High-Performance Lithium Storage, Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI:10.1039/C8TA03987A.

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