Angew. Chem. Int. Ed：膠體模板法制備鋰離子電池負極硅@碳復合材料

【引言】

硅基材料由于其具有較高的容量和低放電電位的優點，是作為高能量密度鋰離子電池最有前景的候選材料。然而，硅在嵌鋰之后會產生巨大的體積膨脹（~300%），從而導致其結構破壞，形成連續不穩定的固體電解質界面（SEI），這極大地阻礙了硅基負極材料在實際電池中的應用。為了解決這些缺點，研究者對具有新型結構的硅基材料進行了大量的研究，包括納米結構的硅和硅/碳復合材料。然而，減小硅顆粒尺寸對性能的改善程度有限，硅表面暴露于電解液中仍會造成較低的庫倫效率和容量衰減。目前，碳包覆納米硅被認為是提高硅基負極電化學性能的最有效策略之一。一方面，碳殼提供了體積變化的空間；另一方面，碳殼表面形成穩定的SEI膜，有利于庫倫效率的提高和容量的保持。

【成果簡介】

近日，華東理工大學龍東輝教授和美國加州大學河濱分校郭居晨教授(共同通訊)以“Colloidal Synthesis of Silicon@Carbon Composite Materials for Lithium-Ion Batteries”為題在Angew. Chem. Int. Ed上發表文章報道了一種新型碳/硅復合材料。兩種不同的方法（硬模板法SiNPs@C_PS和軟模板法SiNPs@C_HD）得到的材料，由于納米硅顆粒在炭載體中的分散形式不同，將其作為鋰離子電池負極材料，也表現出不同的性能。結果表明納米硅顆粒在炭殼層中更均勻的分散，其循環穩定性和倍率性能也更優異。基于實際應用的考慮，將其作為添加劑與天然石墨混合，所制備的Si/C負極可逆容量可達600 mAh g^-1?(3.1 mg cm^-2) 和450 mAh g^-1?(4.5 mg cm^-2)。

【圖文簡介】

圖一: 硬模板法制備的硅/碳復合材料SiNPs@C_PS的形貌表征

(a)?SiNPs@C_PS的TEM圖像；

(b) SiNPs@C_PS的暗場TEM圖像和EDX元素譜圖。

圖二：SiNPs@C_PS的電化學性能研究

(a)?SiNPs@C_PS在不同電流密度下的循環曲線和庫倫效率曲線；

(b) SiNPs@C_PS在0.1C電流密度下的充放電曲線。

圖三：軟模板法制備的硅/碳復合材料SiNPs@C_HD的形貌表征

(a)?SiNPs@C_HD的TEM圖像；

(b) SiNPs@C_HD的暗場TEM圖像和EDX元素譜圖

圖四：SiNPs@C_HD的電化學性能研究

(a)?SiNPs@C_HD在不同電流密度下的循環曲線和庫倫效率曲線；

(b) SiNPs@C_HD在0.1C電流密度下的充放電曲線。

圖五: SiNPs@C_HD作為石墨負極添加劑的電化學性能研究

(a)?SiNPs@C_HD在CVD處理之后的SEM圖像；

(b) graphite-SiNPs@C_HD電極的橫截面SEM圖片；

(c)?graphite-SiNPs@C_HD在250?mA?g^-1和500?mA?g^-1電流密度下的循環性能和庫倫效率曲線；?

(d) graphite-SiNPs@C_HD在250?mA?g^-1電流密度下的充放電曲線。

【小結】

該研究利用簡單的模板法成功的制備了具有核殼結構的碳/硅復合材料。經表面修飾過的納米硅顆粒均勻分散于模板劑中，有利于其在在碳殼層中很好的分散。當用為鋰離子電池負極材料時，SiNPs@C_HD由于具有特殊的結構表現出良好的循環穩定性和倍率性能。當用作石墨負極添加劑材料時，也大大提高了電極放電容量。這一工作表明該方法所制備硅基負極材料，在用作實際電池負極材料中表現出極大的實用前景。

原文鏈接：Colloidal Synthesis of Silicon@ Carbon Composite Materials for Lithium-Ion Batteries (Angewandte Chemie, 2017, DOI: 10.1002/ange.201705200)

本文由華東理工大學龍東輝教授投稿，材料人編輯部Allen整理。

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