A Silicon Monoxide Lithium-Ion Battery Anode with Ultrahigh Areal CapacityJiang Zhong, Tao Wang, Lei Wang, Lele Peng, Shubin Fu, Meng Zhang, Jinhui Cao, Xiang Xu, Junfei Liang, Huilong Fei, Xidong Duan, Bingan Lu, Yiliu Wang, Jian Zhu* & Xiangfeng Duan
Nano-Micro Letters (2022)14: 50
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00790-z
本文亮点1. 利用大片径多孔石墨烯与一氧化硅制备的自支撑复合电极(LHGF/SiO)具有良好的应力-应变性能,使得该电极有强的机械柔韧性。2. LHGF/SiO电极在质量负载为44 mg cm⁻2下,8.8 mA cm⁻2的电流密度下可释放35.4 mAh cm⁻2的面容量,并在17.6 mA cm⁻2的电流密度下仍然保持10.6 mAh cm⁻2的高面容量。 3. 在超高质量负载的水平下(94 mg cm⁻2),LHGF/SiO电极可释放高达140.8 mAh cm⁻2的面容量,该值比当前的商业化储能电极的面容量值高出约1-2个数量级。内容简介当前商业化的锂离子电池(LIB)石墨负极理论容量(372 mAh g⁻1)较低,难以满足各种电子设备对储能器件高能量、高功率密度的需求。为此,具有更高比容量的电极材料受到广泛关注。一氧化硅(SiO)有较高理论容量(2680 mAh g⁻1),具有成为下一代高能量密度LIB的负极材料的巨大潜力。然而,SiO负极通常有着较差的电子和离子传输特性以及循环过程中SiO颗粒粉碎而产生较大体积变化,这两个缺陷限制了SiO的电化学性能,使电池容量迅速衰减,表现出较差的循环性能。设计高性能SiO电极有助于促进新一代高负载、高能量密度LIB的开发与应用。开发高能量密度的锂离子电池对于新一代储能器件的发展有着极为重要的作用。湖南大学二维材料课题组朱建等人利用大片径的多孔石墨烯与一氧化硅复合,制备出了高质量负载的多级多孔自支撑结构复合物,并将其应用于锂离子电池负极。动力学研究显示,通过改变石墨烯片层上的纳米孔大小,可调整电极在充放电过程中锂离子的传输能力,以增加电极在高质量负载下的面容量。此外,该电极材料的力学测试结果表明,这种自支撑式电极具有良好的机械柔韧性,对一氧化硅在充放电过程中产生的体积变化有缓冲作用。在此基础上,将商业化NCM523与其匹配装备成的全电池在1 C的电流密度下,其能量密度远超当前商业化锂离子电池。该电极的优异性能标志着一氧化硅合金型电极材料在高能量密度储能器件领域广阔的应用前景。图文导读I 多级多孔复合材料的合成与表征
本文利用简单的水热还原法制备了LHGF/SiO自支撑电极,随后按照不同比例得到不同负载量的电极并进行充放电测试(倍率测试及长循环测试)。如图3c和3d所示,LHGF/SiO电极的倍率性能良好且释放出了较高的面容量。在质量负载为44 mg cm⁻2下,在8.8 mA cm⁻2的电流密度下可释放35.4 mAh cm⁻2的面容量,并在17.6 mA cm⁻2的电流密度下保持10.6 mAh cm⁻2的面容量。在超高质量负载的下(94 mg cm⁻2),依然有着较好的倍率性能(如图3e)。此外,在质量负载为21 mg cm⁻2的水平下,在2.1 mA cm⁻2的电流密度下可释放15.6 mAh cm⁻2的面容量,并且循环充放电超过120次,容量保持率为79%(如图3f)。
图3. 两种类型的电极在(a) 50 mA g⁻1和(b) 500 mA g⁻1时的恒流充放电曲线,质量负荷为11 mg cm⁻2;(c) LHGF/SiO-75%和LGF/SiO-75%电极在质量负载为11 mg cm⁻2时的倍率性能;(d) LHGF/SiO-75%电极在21和44 mg cm⁻2质量负载下的倍率性能;(e) LHGF/SiO-75%电极在质量负载为94 mg cm⁻2时的倍率性能;(f) LHGF/SiO电极在2.1 mA cm⁻2电流密度下,负载质量为21 mg cm⁻2的循环性能。
基于LHGF/SiO电极制备的柔性储能器件显示出优异的电化学性能。在94 mg cm⁻2的超高质量负载下依然有着较好的电化学性能。而LGF/SiO电极在电流密度增加的情况下,面容量难以同步增加,没有表现出良好的正相关性(如图5a)。对于LHGF/SiO电极,当电流密度增加到2.31 mA cm⁻2时,由于离子电流穿透深度的限制,负载量与面容量的正相关性逐渐降低(如图5b)。对于不同负载量的LHGF/SiO电极,当电流密度超过10 mA cm⁻2时,负载量与电流密度呈负相关(如图5c),与现有同类研究工作(如石墨、二氧化锡、锡金属等,图5d)对比发现,该LHGF/SiO电极组成的储能器件在电化学储能方面具有很大优势。
图5. (a) LHGF/SiO-75%和LGF/SiO-75%电极在100 mA g⁻1时的面积容量与质量负荷的关系;(b) LHGF/SiO-75%电极在不同电流密度下的面积容量与质量负载的关系;(c) LHGF/SiO-75%电极在不同质量负载下的面积容量与电流密度的关系;(d) LHGF/SiO-75%电极与不同类型合金型负极的面容量性能对比。