德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華團隊Nano Lett.: 無機凝膠衍生金屬框架助力高性能硅負極

CYM 4年前 (2019-08-31) 4360瀏覽

【引言】

在下一代鋰離子電池負極材料中，Si因其理論比容量高和含量豐富等優勢而極具應用前景。但是，Si負極仍存在體積形變大、SEI膜不穩定和反應動力學緩慢等問題。在Si中引入異質組分可調控其電化學行為。與常用的碳介質類似，金屬介質也可以促進電荷傳輸并保持電極完整性。此外，硅-金屬（Si-M）負極能表現出比Si和Si-C負極更高的振實密度和體積能量密度；儲鋰活性金（M'=Ge，Sn，Sb等）與硅的共脫嵌過程可提升反應動力學；而儲鋰惰性金屬（M"=Ti，Ni，Fe等）能抑制結晶Li15Si4的生成進而避免不均勻體積變化。因此，硅基全金屬材料特別是Si-M'-M"材料有望成為綜合性能優異的實用硅基負極材料。然而，當前金屬介質多以相互游離的納米顆粒形式存在，難以提供足夠的自由緩沖空間以及持續的電子/離子傳輸通道，未能有效發揮金屬介質的特性來提升Si負極儲鋰性能。?

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授聯合南京師范大學吳平副教授（共同通訊作者）提出了一種簡便可量產的凝膠還原法將Si顆粒均勻地固定于3D金屬框架內進而顯著提升儲鋰性能。具體來說，將商業化Si顆粒包覆于氰基橋聯(Sn–N≡C–Ni)配位聚合物凝膠(Sn-Ni氰膠)中，進一步還原該復合氰膠可將Si顆粒均勻固定于3D錫鎳合金框架，形成Si@Sn-Ni全金屬框架材料。循環中，Si顆粒的自重排進一步增大了Si在合金框架中的分散度以及Si與Sn-Ni合金的協同效應。這種高的結構完整性、3D離子/電子混合傳輸通道以及Si/Sn-Ni協同效應使得Si@Sn-Ni全金屬框架材料表現出優異的長循環壽命和倍率性能。相關研究成果以“Inorganic Gel-Derived Metallic Frameworks Enabling High-Performance Silicon Anodes”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一Si@Sn-Ni全金屬框架材料的合成示意圖以及工作原理圖

（a）Si@Sn-Ni全金屬框架材料的合成示意圖。

（b）Si@Sn-Ni全金屬框架材料的循環自重排和脫嵌鋰過程示意圖。?

圖二Si@Sn-Ni全金屬框架材料的形貌、組成和結構表征

（a）復合氰膠的光學照片。

（b）TEM圖像和SAED圖案。

（c）XRD譜圖。

（d）高倍TEM圖像和SEM圖像。

（e）TEM-EDS元素分布圖像。

（f）XPS譜圖。

圖三電化學性能表征

（a）CV曲線。

（b）循環穩定性。

（c，d）倍率性能以及與相關文獻的比較

（e，f）EIS阻抗譜以及Z'和ω-1/2的關系圖。

圖四Si@Sn-Ni全金屬框架材料循環后的形貌、組成和結構表征

（a）Si顆粒在Sn-Ni框架中的循環自重排示意圖。

（b，c）TEM圖像和元素分布圖像。

（d）HRTEM圖像。

（e）拉曼光譜。

【小結】

總之，本文開發了一種簡便易量產的凝膠還原法將Si顆粒均勻地固定于3D?Sn-Ni合金框架內。該Si@Sn-Ni全金屬框架材料具有高的結構完整性、3D離子/電子混合傳輸通道和Si/Sn-Ni協同效應，而且，Si顆粒的循環自重排進一步提高了其在框架中的分散度及協同效應。因此，該Si@Sn-Ni框架材料表現出了優異的結構穩定性和電荷傳輸能力以及長循環壽命(在0.5?A g-1的電流密度下經過100次循環，可逆比容量為1205?mA h g-1)和倍率性能(在10 A g-1的大電流密度下，平均比容量高達653?mA h g-1)。該氰膠還原路線可延伸至制備其它結構和組分可控的金屬基復合框架材料用于電化學能源領域。

文獻鏈接“Inorganic Gel-Derived Metallic Frameworks Enabling High-Performance Silicon Anodes”?(Nano Lett.?2019.?DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02429)

【相關文獻推薦】

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本文由CYM編譯供稿，材料牛整理編輯。

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