Adv. Energy Mater. ：通過硅取代緩解應力的納米線用于高容量和穩定的鋰儲存

【引言】

具有高能量密度和長循環壽命的可充電鋰離子電池（LIB）在能量存儲應用中非常重要，如電動車輛和便攜式電子設備。然而，目前可用的低比容量商業石墨陽極材料不能滿足大規模和高效率儲能系統的嚴格要求。在這樣的技術背景下，由于較高的理論容量（≈4200mA h g^-1），Si被認為是最有前途的負極材料之一。然而，伴隨著巨大的體積變化而導致循環的容量衰減嚴重，仍然是硅在實際應用中的障礙。

【成果簡介】

近日，同濟大學楊金虎、中國科學技術大學余彥（共同通訊）等人利用Si取代的Zn₂（GeO₄）0.8（SiO₄）_0.2納米線可以有效抑制體積膨脹效應，表現出高比容量和超長循環穩定性，這代表了突出的綜合性能。優異的性能歸因于賦予納米線的Si原子取代不僅具有高反應性和可逆性，而且具有鋰化時獨特的應力釋放性質，這通過詳細的密度泛函理論計算進一步證實。 這項工作為設計用于實際能量存儲應用的高性能硅基材料提供了新的指導方針。相關成果以題為“Stress-Relieved Nanowires by Silicon Substitution for High-Capacity and Stable Lithium Storage”發表在了Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 ZGSO納米線的結構和組成表征

a,b）ZGSO納米線的a）SEM圖像，b）STEM圖像以及Zn，Ge，Si和O元素的相應元素映射

c-f）ZGSO納米線的c）TEM圖像，d）HRTEM圖像，e）XRD圖，和f）XPS譜

圖2 ZGSO納米線電極在不同階段的原位XPS譜分析

a-d）a）Zn 2p，b）Ge 3d，c）Si 2p和d）O 1s

圖3 鋰化ZGO和ZGSO納米線之間內應力的示意圖和DFT計算

a,b）示意圖顯示由ZGO晶胞a）中的Ge原子和b）Si原子在晶胞ZGSO中的鋰化反應引起的應力

c）Li₄-ZGO和Li₄-ZGSO的應變能量變形曲線

d）比較Lix-ZGO和Lix-ZGSO與單位晶胞的Li原子數之間的應力

e）2000次循環后ZGO和ZGSO納米線的形態演變的示意圖

【小結】

與ZGO納米線相比，通過位點特異性取代策略實現的Si摻入的ZGSO納米線表現出顯著增強的鋰儲存性能。這項工作為開發具有高能量和長壽命的高性能LIB在實際能源應用中提供了一種新穎的策略。

文獻鏈接：Stress-Relieved Nanowires by Silicon Substitution for High-Capacity and Stable Lithium Storage（Adv. Energy Mater.,2018,DOI:10.1002/aenm.201702805）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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