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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 | 138 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

中山大学:以竹子为原料制备碳/硅纳米点复合材料,用于锂离子电池


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。

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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)。

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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。

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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。

中山大学:以竹子为原料制备碳/硅纳米点复合材料,用于锂离子电池


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。

中山大学:以竹子为原料制备碳/硅纳米点复合材料,用于锂离子电池


图6. 采用NCM811阴极和Si/C-O的全电池的电化学特性。

小结

总之,通过部分氧化策略和从竹叶中提取的镁热反应,成功地制备了多孔碳骨架包裹的硅纳米点结构复合材料,作为LIBs的阳极材料。通过与商业化的NCM811阴极组装成电池装置,验证了潜在的实际应用。这项工作为下一代电化学储能的高容量和高能量密度的阳极材料的制造提供了一个新方法。

文献:

https://doi.org/10.1021/acsami.2c11906


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