华中科大:新鲜硅界面结构反应活性调控实现可控氧化和电池稳定循环

由于具有高理论比容量(4200 mAh g-1),低成本和资源丰富等诸多特点,硅(Si)基材料被认为是最有希望的下一代锂离子电池(LIB)负极材料(www.tmrg.net)。当前,硅基材料的商业应用仍受到一些严重的阻碍,包括电子电导率低、充放电过程中的巨大体积变化(> 300%)和不稳定的固态电解质中间相(SEI)。与纯Si相比,硅氧化物(SiOx)具有体积膨胀/收缩小的优点,并且可以抑制不良电化学副反应,改善电化学循环稳定性。然而,尚缺乏简单且温和的方法来调控SiOx材料中的氧含量:氧含量过低不能保证有效抑制体积变化,而氧含量过高会导致容量严重降低,电压曲线中的电压迟滞较大。

近日,华中科技大学武汉光电国家研究中心孙永明教授课题组报道了在温和的水热条件下,采用具有新鲜界面的硅(Si)颗粒与H20和O2反应,同步进行碳复合,制备了氧化硅-碳(SiOx/C)复合材料。普通Si颗粒表面致密钝化层(氧化层)结构阻碍了其与环境条件的反应,即使在200℃水热条件下仍保持其成分和结构稳定。只有去除表面钝化层后,具有新鲜表面的硅颗粒才能在温和的水热条件下发生可控氧化。均匀的氧化和碳基复合结构使所获得的SiOx/C材料在电池电化学循环过程中在颗粒和电极尺度上保持长期结构和电化学性质稳定。所制备的SiOx/C复合材料在0.5 A g-1的电流密度下可提供1133 mAh g-1的高的可逆容量,在200次循环后具有89.1%的高容量保持率。在商用石墨中添加15 wt%SiOx/C复合材料后,石墨-SiOx/C混合电极显示出496 mAh g-1的高可逆比容量。此外,石墨-SiOx/C混合电极表现出稳定的电化学循环,在100次循环后的容量保持率为90.1%。

图1.(a)Si表面上的原始致密钝化层阻碍了其进一步氧化;(b)具有新鲜表面以及同步碳复合的Si的可控氧化步骤示意图;(c)在水热条件下具有新鲜表面的Si颗粒的可控氧化机理示意图。

图2.SiOx/C复合材料的电化学性能。(a)SiOx/C复合材料和初始Si在0.5 A g-1时的比容量-循环曲线;(b)SiOx/C电极的电压-比容量曲线;(c)SiOx/C和初始Si电极的倍率性能图;(d)SiOx/C电极在不同扫描速率下的CV曲线;(e)通过对SiOx/C电极的氧化还原峰进行logI和logV拟合线性模型确定b值;(f)相同面积容量(1 mAh cm-2)下,石墨-SiOx/C混合电极和纯石墨电极的循环性能比较;(g)石墨-SiOx/C电极的电压-比容量曲线。

近日,国际材料领域顶级期刊《Nano Letters》线上刊发相关研究成果《Manipulating oxidation of silicon with fresh surface enabling stable battery anode》。该研究工作第一完成单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心,得到了国家重点研发计划(2018YFB0905400)和湖北省科技厅重大技术创新项目(2019AAA164)的资助。

来源:华中科技大学

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00317

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