约翰霍普金斯大学陈明伟ACS Nano：三维纳米结构设计的超稳定硅负极

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2020-03-25

先进的碳质负极材料正接近其在锂离子电池（LIB）中可达到的性能极限。硅材料由于其优越的比容量和安全性等特点已被公认为是下一代LIB最有希望的负极之一。然而，硅负极的实际应用面临体积变化大，固有的低电导率和不稳定的固体电解质相间（SEI）膜等挑战。近日，约翰霍普金斯大学陈明伟教授课题组设计一种具有双连续多孔纳米结构的三明治型N掺杂石墨烯@Si@混合硅酸盐负极，有望同时克服以上关键问题。在精心设计的混合Si负极中，纳米多孔N掺杂的石墨烯充当柔性的导电载体，并且非晶态杂化硅酸盐涂层增强了电极的坚固性和柔软性，并促进了稳定SEI膜的形成。这种无粘合剂且可堆叠的混合电极具有出色的速率能力和循环性能。与LiFePO₄正极配对时，在完整电池中可以轻松实现100多个稳定循环。

文章要点：

1）研究人员首先通过化学气相沉积（CVD）在具有3D双连续结构的脱合金纳米多孔Ni的内表面上生长N掺杂的石墨烯（N-G）。所得的N-G@Ni 用作衬底，通过磁控溅射沉积Si。经过30分钟的沉积时间，硅纳米多孔的内表面上均匀地涂覆N-G@Ni基质。重要的是，可以通过溅射时间合理地控制硅的负载量和层厚。为了形成稳定的电极/电解质界面，通过气相沉积工艺在Ni@N-G@Si 结构的顶面Si上引入了无机有机杂化硅酸盐的保形涂层，以防止Si与电解质直接接触。在蚀刻掉镍衬底之后，获得独立的N-G@Si混合硅酸盐膜（N-G@Si@HSi）。

2）SEM图像显示具有Si和HSi涂层的三明治N-G @ Si30 @ HSi膜很好地保持了原始纳米多孔Ni模板的3D多孔结构。TEM图像表明具有均匀的Si和杂化硅酸盐涂层的N-G@Si-30 @HSi表现出典型的夹心结构，每一层之间的界面紧密接触，同时在纳米多孔N -G主体的内表面上成功沉积了Si和HSi层。XRD和拉曼光谱显示，HSi层主要由Si_xO_y和有机部分组成。在Si-HSi界面处形成的牢固的Si-O键保证了这两层之间的牢固结合。此外，具有HSI的硬无机和软有机部分的这种保形涂层具有高机械柔韧性和化学稳定性以稳定SEI层。而且，HSI的非晶网络结构不仅允许快速的锂离子传输，而且可以有效地防止电解质注入和电解质与Si之间的直接反应，以调节SEI在HSi层外表面上的生长。

3）N-G@Si-x@HSi负极在半电池和全电池中都具有可逆容量，库仑效率，循环稳定性和倍率性能方面具有出色的锂存储性能。更重要的是，这种杂化硅负极在10 C的超高速率下以537 mAh/g的高容量实现了10,000个稳定循环，这证明了硅阳极的商业可行性。这种坚固的夹层设计可以扩展，以开发用于高级电池的其他高性能合金电极材料。

Huang, Gang, et al, Ultrastable Silicon Anode by Three-Dimensional Nanoarchitecture Design, ACS Nano, 2020

DOI：10.1021/acsnano.9b09928

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09928