Nano Energy:北交大联合过程所团队揭示N参杂空位缺陷可提高锂离子电池中硅负极材料稳


发布时间:

2023-08-23

类石墨层包裹的硅纳米球(Si@C)具有较高的比容量,但是在锂化的过程中,硅球内部的机械应力会导致硅球急剧膨胀,破坏外部网状包裹层,因此一直没有得到广泛应用。

类石墨层包裹的硅纳米球(Si@C)具有较高的比容量,但是在锂化的过程中,硅球内部的机械应力会导致硅球急剧膨胀,破坏外部网状包裹层,因此一直没有得到广泛应用。近日,PicoFemto®助力北京交通大学王熙教授、中科院过程所陈仕谋研究员在Si@NG基锂离子电池负极材料的研究中取得新的发现,相关研究成果以《Stress-relieving defects enable ultra-stable silicon anode for Li-ion storage》为题发表在国际期刊《Nano Energy》(IF=15.46)上。

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图1. 原位实验细节  

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图2. PicoFemto®原位电学样品杆示意图(JEOL或FEI电镜兼容)  

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图3. In situ TEM measurements of Si@NG and Si@G materials.(源自原文)

研究人员利用PicoFemto®原位电学样品杆(TEM-STM holder)在透射电镜中原位研究了Si@NG负极材料在锂化过程中的结构稳定性,发现氮掺杂的碳层包裹在硅纳米球上能有效缓解硅球在锂化过程中的体积膨胀。他们仔细研究发现:碳层中N的均质掺杂使NG网络中产生了分布均匀的"空穴"缺陷,充分保证了硅球在膨胀过程中的应力释放。电池循环性能测试结果显示,Si@NG表现出良好的循环稳定性(在2100 mA g-1的电流密度下,100个循环后1321 mAh g-1的比容量,保持率约96.6%)。此外,初始库仑效率(ICE) 达到90.3%。结论:原位透射电镜研究结合有限元分析表明,氮参杂的Carbon matrix能够有效缓解硅球锂化过程中体积膨胀产生的机械应力,使得内部的硅球保持完整,保证了Si@NG负极材料的循环稳定性和良好的倍率性能。该研究验证了一种提高Si/C基电极材料电化学性能的可靠方法,为其在锂离子电池(LIBs)中的实际应用铺平了道路。

原文DOI链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104568