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双稳定花状硅烯:华而实用

双稳定花状硅烯:华而实用

充放电过程中体积变化大导致的结构不稳定是限制硅负极商业化的主要原因。基于目前的技术,纳米化是改善硅结构稳定性的一种变革方式。但是,表面不稳定的问题仍然存在,甚至在现有的纳米硅颗粒间传播。鉴于此,中国科学院提出了一种双重稳定的硅结构单元,即花状硅烯(SF),同时解决了结构和界面稳定性问题。这些材料作为锂电池负极表现出极好的协同性能。

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图1. SF制备示意图

 

作者设计的这种花状硅烯具有互连的空间取向,并且不需要复杂的操作过程,同时解决了硅的结构和界面不稳定的问题。当直接用作锂离子电池负极材料时,表现出了极好的电化学性能。包括高重量容量(800 mA/g时为2000 mAh/g),高体积容量(1799 mAh/cm^3,大约是石墨负极的三倍),显著的倍率性能(在8 A/g时为950 mAh/g),以及优异的循环稳定性(2000 mA/g下循环600周后为1100 mAh/g)。作为验证示范,作者使用SF作为负极,常规钴酸锂(LCO)作为正极制成全电池,成功地提高了比能量(543 Wh/kgca)和能量密度(1257 Wh/Lca),这远远超出了使用石墨负极(357 Wh/kgca和526 Wh/Lca)全电池的电化学性能。

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图2. (a)SF电极的CV曲线。(b)在0.05C(1C= 4000mA/g)下SF和Si纳米颗粒电极的充/放电曲线。(c)SF电极不同倍率下的充放电曲线。(d)不同倍率下的寿命图。(e)Si纳米颗粒和Si纳米线电极在不同倍率下的库伦效率。(f)与一些代表性的Si负极相比,SF电极在不同倍率下的体积容量。(g)SF,Si微粒,Si纳米颗粒和Si纳米线电极在0.5 C(2000 mA/g)下的循环性能。

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图3.(a)LCO/石墨和LCO/SF全电池配置示意图。(b)LCO/SF全电池与LCO/石墨全电池以及LCO/Li半电池的充放电曲线。(c)LCO/SF全电池和LCO/Li半电池的循环图。(d)LCO/SF和LCO/石墨全电池的倍率性能。

 

这种优异的电化学性能是源于优异的结构性能:

  • 每个硅纳米片在循环时模拟各自空间取向中的平面Si薄膜的行为,这可以更好地调节Si的体积变化,确保结构稳定性

  • 硅纳米片在尺寸上缩短了锂离子的传输距离

  • 硅纳米片的花状结构赋予材料高的密度,这对于实际应用至关重要。

结合简单、经济高效以及可扩展的综合特点,作者所展示的这种花状硅烯是重要突破,为便携式电子设备、电动汽车和电网规模所用的高性能电池开发提供了新路径。

 

Xinghao Zhang, Xiongying Qiu, Debin Kong, Lu Zhou, Zihao Li, Xianglong Li, Linjie Zhi; SiliceneFlowers: A Dual Stabilized Silicon Building Block for High-Performance Lithium Battery Anodes; DOI: 10.1021/acsnano.7b03942


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