以竹子为原料制备碳/硅纳米点复合材料，用于锂离子电池

来源:材料分析与应用 | 作者:proac3c72 | 发布时间: 2024-04-15 | 42 次浏览 | 分享到:

硅（Si）由于其高理论容量、低工作电位和安全特性，被认为是一种有前途的可充电锂离子电池（LIBs）的阳极材料。然而，硅基阳极的实际使用受到其在锂化/脱硫过程中巨大的体积膨胀的阻碍，并且它们具有相对较低的内在电子传导性，因此严重限制了它们在能源储存中的应用。本文，中山大学Qiushi Wang、童叶翔教授团队《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Rational Design of Silicon Nanodots/Carbon Anodes by Partial Oxidization Strategy with High-Performance Lithium-Ion Storage”的论文，研究提出了一种简便的方法，通过部分氧化策略和镁热反应，将硅质生物质（竹叶）直接转化为多孔碳骨架包裹的硅纳米点结构，获得高硅纳米点成分的复合材料（记为Si/C-O）。

在多孔碳骨架结构和均匀分散的硅纳米点的协同作用下，制造了具有稳定结构的Si/C-O复合阳极，可以避免粉化并适应循环过程中的体积膨胀。正如预期的那样，生物质转化的Si/C-O阳极不仅在TGA上呈现出高的Si成分（59.7 wt %），而且在0.5 A g-1时表现出1013 mAh g-1的优异容量和强大的循环稳定性，在650次循环后容量保持率达到526 mAh g-1。此外，当Si/C-O阳极与商用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2阴极组装时，在LIB实际应用中表现出相当的性能。这项工作提供了一个有效的策略和长期的目标。

图文导读

图1. 通过部分氧化策略和镁热反应的Si/C-O的合成路线示意图。

图2：（a-c）Si/C-O的SEM图像（面板（c）中的插图是碳骨架表面的放大颗粒）。(d-f) Si/C-O的TEM图像，相应的SAED（面板（d）中的插图），以及晶格基底间距（面板（e）和（f）中的插图）。选定区域的TEM图像（g）和相应的元素图谱（C、O、Si）以及Si/C-O的合并结果（h-k）。

图3：（a）Si、SiO2/C、SiO2/C-O、Si/C和Si/C-O的XRD图案。(b) Si/C和Si/C-O的TGA结果。(c) SiO2/C、SiO2/C-O、Si/C和Si/C-O的氮气吸附-解吸等温线。(d) Si/C-O的FT-IR，(e-f) 拉曼和EPR光谱。

图4：（a）Si/C-O电极在0.1 mV s-1时的CV曲线。（b）Si/C-O电极在不同电流密度下的GCD曲线。(c) 速率性能。(d) 100个周期后Si/C和Si/C-O电极的EIS谱（插图是模拟的等效电路）。(e) Si/C-O和Si/C电极的Z′和ω-1/2拟合。(f) 第一次放电/充电循环期间的原位XRD图案。(g) 电流密度为0.5 A g-1时的循环稳定性。(h) Si/C-O电极的循环稳定性与以前的研究比较。

图5. (a, b) Si/C-O的初始接触角的数码照片。Si/C-O电极在（c）原始状态和（d）以0.5A g-1循环50次后在0.2V阶段放电的横截面SEM图像。e）以0.5A g-1循环50次后Si/C-O的TEM图像和（f）相应的SAED图像。(g) Si/C-O材料的储能机制的演绎图。(h) 使用二维有限元方法，从电场、温度和力学的角度模拟说明了Si纳米点结构的影响。