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纳米硅基负极材料研究进展分析

导读: 二维结构可有效减少锂离子迁移路程,纳米硅和硅氧化物可有效降低了体积膨胀率,因此采用该方法制备的2D nano-Si/SiO2@C表现出优异的循环稳定性和倍率性能。

【成果简介】

相对于传统石墨负极材料(372 mAh/g),硅负极材料具有极高的理论比容量(3580 mAh/g),是未来高能量密度动力锂离子电池负极材料首选。但硅负极材料在充放电循环过程中存在体积变化(高达3倍以上),造成硅颗粒粉化,从而引发SEI膜反复再生库伦效率低,电接触变差极化增大,使实际硅负极材料循环寿命和倍率性能较差。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室自2011年开展硅基负极材料的研究开发,已取得系列进展。2012年报道了一种三维多孔的纳米硅/石墨烯复合负极材料。近日,又报道了一种新型二维纳米硅/二氧化硅复合负极材料(2D nano-Si/SiO2)。该工作利用层状结构CaSi2的拓扑转变,在酸性溶液中化学剥离Ca原子,留下单原子层褶皱状硅烯,由于Si原子只存在sp3杂化,硅烯极不稳定,在水溶液中氧化得到亚稳态二维硅氧烯,二维硅氧烯经过合适的热处理条件脱水歧化得到二维纳米硅/二氧化硅复合负极材料(2D nano-Si/SiO2),其中纳米硅均匀分散于无定型硅氧化物。二维结构可有效减少锂离子迁移路程,纳米硅和硅氧化物可有效降低了体积膨胀率,因此采用该方法制备的2D nano-Si/SiO2@C表现出优异的循环稳定性和倍率性能。该研究工作以“Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1 示意图及性能表征

(a)硅氧烯剥离过程示意图。

(b)硅氧烯分子结构示意图。

(c)碳包覆二维纳米硅/二氧化硅复合纳米负极材料的微结构示意图。

图2 二维纳米硅/二氧化硅复合负极材料的循环稳定性

【研究内容】

电化学性能测试表明,在0.15 A/g条件下,首次放电容量大于950 mAh/g,在7.5 A/g的大电流密度下,放电容量达360 mAh/g,相比于文献已报道的硅或硅氧化物材料,倍率性能具有显著优势;在1.5,3.0和7.5 A/g的大电流密度下,循环300周容量保持率分别为73%,73%和92%。该新型2D nano-Si/SiO2@C负极材料,有望应用于长续航电动汽车

研究工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院重点部署项目、中科院先导专项与宁波石墨烯应用技术研发项目的资助。

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