【顶刊】Advanced Materials：层状纳米球结构—是否能使Si负极商业化？

通讯作者：韩国蔚山国家科学技术研究所Sung Youb Kim教授和 Jaephil Cho教授。

成果简介

由于硅负极锂化时具有明显的体积膨胀问题而无法实现商业化，而现有的解决策略成本高昂。作者提出使用层状纳米球硅负极来解决这一问题。通过在各种气氛中的一锅法来合成包含由SiOx / Si / SiOx / C层封装的纳米球，每层厚度<20 nm。发现SiOx层可以调控压力变化，允许纳米球在循环期间保持其形态完整性并促进固体电解质的形成。当使用包含纳米球/石墨共混阳极和钴酸锂阴极组装的全电池时平均能量密度为2440.2 Wh L-1 （比常规石墨高1.72倍），容量在101次循环后依然高达80％。

图文速览

图1.平均能量密度的概念和中间层（MCS）的关系。 a）能量密度和b）循环过程中石墨和高容量阳极的平均能量密度的示意图。 c）层状纳米球 （LMN） 和d）非层状纳米球 （MCS） 循环过程中容量衰减机理。对于LMN，通过引入中间层可以减轻表面SiOx层中的高应力，这使得即使在长时间循环期间也可以保持结构完整性。另一方面，在非层状纳米球 （MCS） 中，表面SiOx受到Si芯的高锂化引起的应力的作用导致SEI层增厚。 e）循环过程中保护层厚度与100个循环后的理论特定容量和容量保有率的关系。

图2. LMN制备和表征。 a）LMN制备示意图。 b）横截面示意图，显示了LMN的详细结构特征。 c）TEM图像，d）高放大倍数TEM图像，e）具有Si，O和C元素mapping的STEM图像和f）LMN的粒度分布。

图3.不同阳极材料的电化学表征。 a）第一圈电压分布和b）不同电极循环性能与库伦效率。

图 4 锂化过程中有限元计算的环向应力分布。 a）显示出了在循环之前和锂化之后的环向应力的示意性横截面图。 b）锂化期间MCS和LMN表面层的环向应力分布。 c）分别在20％和100％的锂化状态下测定SCS，MCS和LMN的碳表面层的环向应力。 d）SCS，MCS和LMN的模拟相对体积膨胀比与锂化状态的关系。LMN半电池100个循环之前e）后f）的顶部和横截面SEM图像。

文献信息

Fabrication of Lamellar Nanosphere Structure for Effective Stress-Management in Large-Volume-Variation Anodes of High-Energy Lithium-Ion Batteries. (Adv.Mater.,2019,DOI: 10.1002/adma.201900970)

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900970