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飛馳助力夏永姚教授研究薄硅包覆硅化鎳納米粒子負(fù)極材料

更新時間:2021-11-15     閱讀次數(shù):2429


鋰離子電池中電極的機(jī)械性能對其電化學(xué)性能有巨大影,尤其是對于硅基電極。在循環(huán)過

程中,硅基電極會被粉碎并形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面。

復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授、王永剛教授發(fā)表了一種在鎳內(nèi)核載體(Si@NixSi/Ni)上生長的薄硅包覆硅化鎳納米粒子作為鋰離子電池的負(fù)極材料。超薄納米硅層有助于實現(xiàn)合理的高能量密度,并因其高比容量和較短的鋰離子擴(kuò)散長度而能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鋰離子擴(kuò)散。

【研究過程】
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 ↑ 此圖為FRITSCH制作的實驗過程示意圖

首先使用高能球磨研磨Ni和納米硅顆粒1小時,產(chǎn)生Ni– Si核殼結(jié)構(gòu)。然后,預(yù)活化的核-殼納米結(jié)構(gòu)在惰性Ar氣氛中在 800 C下退火4小時,使硅化鎳在Si-Ni界面之間生長。在硅化物形成過程中,鎳原子通過鎳/硅化物界面向外擴(kuò)散,而硅原子通過硅化物/硅界面向內(nèi)擴(kuò)散。

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Si@NixSi/Ni 核的組成和形態(tài)-殼結(jié)構(gòu)受退火溫度和前體樣品摩爾比的顯著影響。樣品的容量保持率隨著 Si 摩爾比的增加而急劇下降。 Ni/Si 摩爾比為 1:0.5 的電極表現(xiàn)出性能,具有合理更高的比容量和的穩(wěn)定性。與原始 Si 電極相比,Si@NixSi/Ni 核殼電極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。

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【研究成果】

夏永姚教授、王永剛教授使用簡單的兩步合成方法證明了Si@NixSi/Ni核殼電極作為鋰離子電池負(fù)極材料。在研究中發(fā)現(xiàn), 呈現(xiàn)輻射分布的NixSi層,通過溫度引起的Si外擴(kuò)散和Ni內(nèi)擴(kuò)散在Si核和 Ni殼界面之間產(chǎn)生,以小的體積膨脹實現(xiàn)相當(dāng)高的比容量。

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Si@NixSi/Ni核殼電極在500 mA/g 的電流密度下表現(xiàn)出706.1 mAh/g的電荷比容量。是傳統(tǒng)的石墨陽極的兩倍。該結(jié)構(gòu)還顯示出 81.5% 的高循環(huán)庫侖效率。有趣的是,Si@NixSi/Ni 核殼電極在 500 mA/g的電流密度下循環(huán)壽命超過5000 次,容量保持率為74%


Si@NixSi/Ni核殼電極提供了相當(dāng)高的比容量和超長的循環(huán)壽命,其原因主要有以下三點:

① 由于其高比容量和縮短的鋰離子擴(kuò)散長度,超薄納米硅層提高了材料的能量密度并允許快速的鋰離子擴(kuò)散

② 梯度分布的 NixSi 層使我們能夠以少的電極材料粉化獲得相當(dāng)高的比容量

③ Ni內(nèi)核提供機(jī)械支撐以在延長的鋰化/脫鋰過程中保持納米顆粒的結(jié)構(gòu)完整性

此文章原文為,Ultrathin Silicon Nanolayer Implanted NixSi/Ni Nanoparticles as Superlong-Cycle Lithium-Ion Anode Material,The ORCID identification number(s) for the author(s) of this article can be found under https:     //doi.org/10.1002/sstr.202000126.


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