张继光等Nature Commun.：高机械强度的分层多孔硅用作高性能锂离子电池负极材料

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2020-03-20

尽管纳米结构化的硅可以减轻锂离子电池负极因锂化/脱锂过程中的大量体积变化而导致的结构破坏，但是纳米材料的固有特性（例如高表面积和低振实密度）也不利于其电化学性能和实用电池的制造。例如，具有大表面积的纳米结构硅材料通常在高负载（> 3 mAh cm^-2）下对集电器的粘合性较差，更严重的寄生电解质分解反应会导致较低的第一循环库仑效率（CE）。此外，许多多孔纳米结构的Si颗粒具有差的机械强度并且在压延过程中容易破裂。最近，人们已经认识到了优良的机械强度是作为纳米结构化的电池材料高超电化学性能必不可少的特性。核-壳Si@TiO₂具有改进的机械强度和Si纳米层包埋的Gr可被压延以达到高容量密度。然而，为电池应用设计具有令人满意的机械和电化学性能的纳米结构仍然是艰巨的任务。由于高导电性和优异的机械性能，碳纳米管（CNT）已被利用到具有纳米Si的复合材料以提高Si负极的循环寿命。近日，西北太平洋国家实验室张继光和Li Xiaolin等人开发了具有良好机械结构参数（较小的初生Si粒径，可控制的孔隙度和较高的结构参数）的独特的分层多孔CNT@Si@Carbon（CNT@Si@C）微球，其具有很高的机械强度和在完全锂化后具有有限的颗粒溶胀性，表面积和高质量的碳涂层等）。

文章要点：

1）CNT@Si微球是通过原位热解碳纳米管（CNT @ SiO₂）核壳同轴电缆微球而制备的。精心设计的CNT@Si微球可以吸收Si的体积变化，因此在完全锂化时表现出约30％的表观颗粒膨胀，这是整体Si颗粒膨胀的1/10。碳涂层后的纱线状CNT@Si微球称为CNT@Si@C，在完全锂化后具有约40％的颗粒膨胀。它还可以承受> 200 MPa的压力，从而而不会被击穿，因此可以采用工业压延工艺来制造电极。

2）凭借这种独特的结构，CNT@Si@C负极可在1 mA cm^-2的 1500个循环中提供约1500 mAh g^-1的可逆容量和87％的容量保持率。实际的CNT@Si@C-Gr复合阳极在3 mAh cm^-2的面负载下，表现出约750 mAh g-1比容量，在100％荷电状态下小于20％的初始溶胀，以及在500个循环中约92％的容量保持率。压延电极在120个循环后显示出约980 mAh cc^-3的体积容量密度和<50％的寿命终止（EOL）膨胀。具有LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂正极的完整电池在500个循环中显示出> 92％的容量保持率。

简而言之，该工作提供了一种对LIB和其他电池化学的硅负极开发的有效策略，并且对多孔硅的机电稳定性有了基本的了解。

Jia, H., Li, X., Song, J. et al. Hierarchical porous silicon structures with extraordinary mechanical strength as high-performance lithium-ion battery anodes. Nat Commun., 2020

DOI: 10.1038/s41467-020-15217-9

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15217-9