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中空缠绕结构辅助硅阳极材料的研究

近年来,随着该国对新能源汽车的强大支持,销售干净无污染的电动汽车已经达到了增长的刺激。但是,目前的商业锂离子电池阳极材料石墨只能在实际应用中达到300〜340mAh / g的容量,并且难以改善,这远未满足新市场用户对高性能锂离子电池的迫切需求。

因此,越来越多的人正在致力于发展高能量密度电池材料s。硅阳极材料受研究人员的青睐,因为它们的高理论特异性容量(3752mAh / g),环境友好和低成本,并且预计将成为下一代电池系统的主力。

然而,硅阳极材料的发展仍存在许多问题。例如,元素硅在充电和放电期间的体积膨胀效果高达300%,这导致结构塌陷和粉碎,这严重限制了硅作为锂离子电池负极材料的发展。应用。为了解决上述问题,抑制电极反应中的体积膨胀效果的问题并提高元素硅的电导率是研究的关键。

鉴于此,湘潭大学王先气教授通过一步法成功地制作了双涂层空心球形SI @ TiO2 @ C阳极材料。

图1 (a) Si@TiO2@C负极材料的制备及(b)结构示意图


在这项工作中,通过无模板的方法和镁热还原方法制备空心Si球,然后用钛酸丁酯和葡萄糖涂覆空心球HN-Si,以制备具有丰富孔结构和高稳定性的Si @ TiO2。C负极材料。

图。2 SiO2(A,D-F),HN-Si(B,G-I)和Si @ TiO2 @ C(C,J-L)的电子显微照片


首先,在过程中电池充电和卸货,具有中空结构的硅纳米球可自调节大体积膨胀;其次,TiO2壳层由于其结构优势,可以提高锂离子的透过率(体积膨胀率仅为4%),进一步,硅活性物质的体积膨胀向腔体内部转移,而不是向外转移;最后,外层C层进一步提高了复合材料的导电性和结构稳定性。

结果表明,传统的单层包层策略在面对Si阳极材料的巨大膨胀效果面前不能满足电极材料的结构稳定性要求,并且这种新的双包层空心策略它可以有效地提高体积膨胀硅的影响,提高其电导率。

结果表明:在电流密度为0.2A/g、工作电压为0.01 ~ 2.5 v时,采用镁热还原法和溶胶-凝胶法合成的双稳定空心Si@TiO2@C纳米球阳极材料是首次。比放电容量为2557.1 mAh/g,库伦效率为86.06%。在电流密度为1 a /g时,Si@TiO2@C负极材料在250次循环后的可逆比容量仍为1270.3 mAh/g。未涂覆HN-Si负极材料的首次放电比容量为2264 mAh/g,库仑效率仅为67.3%。

这种双层包层中空结构设计可以缩短Li +和电子的传输路径。富孔结构还可以促进电解质的全润湿,提高其速率性能。同时,均匀的TiO2壳和C层大大改善了Si。@ TiO2 @ C阳极材料结构稳定性和电导率。

图3 Si @ C anode材料的电化学性质表征

图4 Si @ TiO2 @ C(a)工作装置的示意图,(b)TEM下电荷和放电结构变化,(c)锂化的示意图(脱脂)

图5周期性能、速率性能和阻抗分析


总之,本研究中的双稳态腔结构的设计可以促进硅基阳极材料的进一步研发,并为具有严重体积膨胀和导电性差的阳极材料的研究提供参考。

参考:
润滑油,mab,dengx,etal。空心Si @ TiO2 @ Cnanoshes的双稳态建筑作为高性能Li-Ionbattery的阳极[J]。化学工程学报,2018。

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