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激光烧蚀硅基多孔材料展现优秀储锂性能

碳材料是目前使用最为广泛的锂离子电池负极材料,然而其较低的理论容量(372 mAh/g)限制了锂离子电池比能量的进一步增大。硅基负极材料由于具有巨大的储锂容量(4200 mAh/g)近年来被广为研究。然而,其在充放电循环过程中会发生巨大的体积膨胀和收缩,导致电极发生破碎、粉化甚至剥落,造成电池的循环性能急剧下降。研究表明,制备多孔纳米硅基材料可减轻体积效应,提高电极材料的稳定性和循环性能。然而,目前有关快速、高效制备多孔纳米硅基材料的技术报道仍较为缺乏。

清华大学材料学院钟敏霖教授、伍晖副教授合作,利用飞秒激光技术,对单晶硅片表面进行快速烧蚀,在硅片表面得到了高度多孔的硅基(SiOX)颗粒,具有类似于蒲公英的结构,该结构作为锂离子电池负极材料具有以下优点:1)多孔结构。多孔结构为硅基材料在充放电过程中的体积膨胀提供空间,减小体积效应,从而可稳定电极,提高循环性能。2)快速的输运通道。较高的比表面积及疏松的孔道结构为锂离子提供了快速的输运通道,从而提高倍率性能。3)微米尺度。不同于普通的纳米硅基颗粒,该硅基颗粒由直径为10-20nm左右的纳米颗粒团簇聚集而成,整体为微米尺度,从而可降低纳米颗粒的活性,避免一些副反应发生带来的电化学性能下降。因此该结构的硅基颗粒作为锂离子电池的负极材料,有望提高锂离子电池的循环性能。电化学性能测试表明:在0.2 A/g的充放电速率下,电池的首次充放电容量分别为2059 mAh/g 和 1475 mAh/g,在800个循环后,容量仍可保持在960 mAh/g,此外,该材料也表现出较好的倍率性能。

该工作开辟了一种制备多孔纳米硅基颗粒的新方法,制备工艺简单、高效快捷,而且制备的多孔硅基颗粒可提高电极的电化学稳定性和电池的循环性能。发表在Small期刊上。

激光烧蚀硅基多孔材料展现优秀储锂性能

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