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番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C复合电极

番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C复合电极

为适应电子设备需求,新一代的锂离子电池要求有更高的能量密度,更加出色的倍率性能以及更长的使用寿命。硅被认为是最具有潜力的候选材料之一,但其存在的问题限制了其商业化进程,为了解决这些问题,研究者们提出了利用导电材料提高材料电导率和纳米技术减少材料结构毁坏的策略,其中蛋黄-壳式Si-C复合材料是一种完美的结构,其内部空间可以容纳硅的体积变化,而碳壳可提高电导率且阻止SEI膜的破裂,极大地提高了Si基材料的性能。最近合肥工业大学张朝峰研究员、澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授以及中科大俞书宏教授通过简单的溶胶凝胶,退火和蚀刻处理成功制备了番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C负极(Si-mNOC)。作为锂离子电池负极,Si-mNOC克服了当前Si电极的缺陷,展现了出色的倍率性能和循环稳定性

番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C复合电极

图1.a) Si-mNOC材料制备示意图,b)Si-mNOC的SEM图,c)Si-mNOC的TEM图,d)Si-mNOC的暗场成像以及对应的Si,C,N,O元素mapping


(Ⅰ)采用溶胶-凝胶合成了Si@SiO2,(Ⅱ)Si@SiO2粒子与苯胺自组装合成了Si@SiO2@PANI,(Ⅲ)碳化和蚀刻处理后得到Si-mNOC。Si-mNOC具有出色的循环稳定性和倍率性能:Si-mNOC在电流密度1A/g下,循环100周后的充放电曲线与第二周曲线基本重合,且Si-mNOC的容量衰减速率远低于Si电极,即使经过500次循环后,其仍保留了1401 mAh/g(硅含量为50%,理论比容量为2286 mAh/g);当电流密度上升到2A/g后,经过2000和4000次循环后,其容量仍维持在1203和900 mAh/g;Si-mNOC在不同的电流密度下充放电后回到低电流密度(从0.5A/g依次上升为1, 2, 3, 4, 4.5, 5A/g,最后再回到0.5A/g),其容量也得到了较好的恢复

番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C复合电极

2. a) Sib) Si-mNOC在电流密度1 A/g下的充放电曲线,c) SiSi-mNOC在电流密度1 A/g下的循环性能和库伦效率图,d) SiSi-mNOC的倍率性能图,e) Si-mNOC在电流密度2 A/g下长循环性能图

番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C复合电极

图3.a) Si, Si@mNOC, 以及Si@mNOC循环200后的电化学阻抗图谱,b) Si@mNOC材料循环前和循环后(嵌锂状态)内部结构示意图


作者也对番荔枝状多孔Si/N-O双原子掺杂C具有优异电化学性能给予分析:

  • 稳定的碳壳不仅提高了材料的电导率,同时也阻止了SEI膜的破裂,且其内部空间容纳了巨大的体积膨胀

  • 碳的分级多孔结构不仅促进了锂离子的扩散,还可以释放体积膨胀所带来的压力

  • N,O双原子掺杂进一步提高了材料的电导率和碳材料表面的亲水性,增加了额外储锂量,进一步提高了它的电化学性能


Runtao Xu, Gang Wang, Tengfei Zhou, Qing Zhang, Huai-Ping Cong, Sen Xin, Juan Rao, Chaofeng Zhang, Yakun Liu, Zaiping Guo, Shu-Hong Yu, Rational design of Si@carbon with robusthierarchically porous custard-apple-like structure to boost lithium storage, Nano Energy, 2017, 39:253-61, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.007

 

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