从工业角度研发的快充负极

随着快速充电锂离子电池在新兴产品中越来越重要，众多的研究已经用于高倍率负极的开发。高面积容量负载、高电极密度、少量的粘结剂和导电剂是快充电池实现工业化的重要因素。近期，韩国蔚山国家科技学院Namhyung Kim等人在石墨表面均匀的注入活性位点和非晶硅纳米层（SEAG），制备出一种负极活性材料。该材料结构成功地改善了锂离子传输，并且在能量密度增加的同时尽可能的减少了初始容量的损失。表现出极好的电化学性能。

图1. （a）SEAG制造和表征程序示意图；（b）横截面图显示了SEAG的详细结构特征；（c）嵌入EAG中的Ni纳米颗粒的HR-TEM图像；（d）扫描速率平方根与峰值电流之间的关系：斜率表示相对电化学活性表面积。（e）原始石墨；表面吸附有Ni的石墨（f）和SEAG复合物（g）的SEM图像。刻度棒，5nm c，5μm e，f，g

作者首先通过简单的回流法在原始石墨上形成尺寸为500nm的球形镍纳米颗粒，然后经过高温催化反应形成多孔结构。最后使用C2H2和SiH4气体的连续CVD方法，在镍和石墨上均匀的形成石墨碳壳和非晶Si（a-Si）纳米层。使用这种先进的SEAG，甚至在工业电极条件下评估半电池和全电池也能表现出极好的电化学性能。在半电池中，SEAG在第一次循环中获得了高比容量（525mAh/g），显著的CE（93.8％），20个循环后容量保持率（99.3％）。在具有高电压LCO的全电池中，SEAG电极表现出优异的快速充电性能，极化现象得到缓解。即使在10.2 mA/cm^2的苛刻充电电流下也是常规石墨充电速度的1.5倍。

图2.半电池配置中各种阳极的电化学表征。（a）石墨，SEAG和带有Ni硅化物的SEAG的充放电曲线；（b）石墨，SEAG和带有Ni硅化物的SEAG的循环图；（c）石墨，SEAG和带有Ni硅化物的SEAG的倍率性能；（d）在SEAG和石墨充电过程中的电压特性; 插图显示了SOC在每个电流密度下分为恒电流/恒电位阶段的情况

图3.具有石墨阳极和SEAG复合材料的全电池的快速充电性能。（a）、（b）和（c）是充电电流密度在5.1 mA/cm^2、7.7 mA/cm^2和10.2 mA/cm^2下的电压曲线；（d）、（e）和（f）是充电电流密度在5.1 mA/cm^2、7.7 mA/cm^2和10.2 mA/cm^2下，4.35至2.7 V电位范围内的快速充电循环性能，放电电流密度固定在1.7 mA/cm^2。

该研究所设计的材料提供了多个有吸引力的优点：

• 催化反应主要激活石墨的Li +反应边缘平面；

• 催化剂的剩余Ni纳米粒子改善了SEAG的电导率；

• 该材料具有更高的振实密度；

• 纳米尺度的Si涂层增加了材料的能量密度，并由于其特殊的容量而允许Li+快速扩散，缩短了Li+扩散长度。

该材料的合成方法简单易实现。另外，如果能够对电解质改性以提高离子和电子电导率，可以进一步提高快速充电性能。

NamhyungKim, Sujong Chae, Jiyoung Ma, Minseong Ko, Jaephil Cho; Fast-charginghigh-energy lithium-ion batteries  viaimplantation of amorphous silicon nanolayer in edge plane activated graphiteanodes; nature communication(2017); DOI: 10.1038/s41467-017-00973-y

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