硅负极虽然具有非常高的容量,但由于其在充放电时发生巨大的体积膨胀、以及不稳定的SEI等因素,实际应用受到极大限制。
一般,改善硅负极的策略有三种:
1. 结构设计:硅纳米线、硅纳米管、硅纳米片、空心结构等;
2. 结构改性:碳包覆、MOx涂层;
3. 组分调控:M−Si合金。
然而,硅负极的失效,原因还不止于此。
首先,硅和电解质LiPF6会发生化学反应,生成Li2SiF6;其次,充当缓冲层的碳材料,会作为催化剂加快副反应。因此,当前急需一种新的硅负极保护方法。
在本文中,受高温气冷核燃料堆(HTGCRs)设计的启发,清华大学魏飞教授课题组在硅负极与碳包覆层中间加了一层SiC作为保护层,有效的防止了硅负极的副反应和快速失效。
XRD中出现了Li2SiF6的衍射峰,表明硅负极和硅碳负极的确会与电解液发生化学反应,Si@C反应前的粒径为90 nm,反应后的粒径为2–3 μm。ISi@C/ISi的值约为18,表明在纳米碳层的存在下,Li2SiF6形成的反应速率增加了18倍。
Si@SiC@C的基本形貌为球形,粒径约为100 nm,其中碳包覆的厚度为8–10nm,SiC中间层的厚度为7–8 nm。0.25和0.31 nm的晶格间距分别为SiC的(111)晶面、与Si的(111)晶面。
加入SiC保护层后,XRD没有出现Li2SiF6的特征峰,表明副反应被明显抑制,这是因为SiC的加入会增加Li2SiF6形成的活化能,降低副反应速率。
Si@SiC和Si@SiC@C材料的初始容量均低于Si@C负极,但Si@SiC@C材料具有非常好的稳定性,550圈循环后容量仍可保持在1050 mAh g–1。此外,Si@SiC@C的初始库伦效率为88.5%,高于大部分文献中的值。在5 A g–1的电流密度下,即便在800圈循环后,Si@SiC@C仍可维持1152 mAh g–1的高容量。
从HAADF图上看,Si@SiC@C材料即便在100圈充放电后,仍可维持完整的球状结构,而Si@SiC材料部分破损,Si@C材料完全被破坏。
该工作以“Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodesby Inhibiting Chemical Reactions” 为标题于2019年7月5日发表在国际顶刊Nano Lett.上。
Silicon Carbide as a Protective Layer toStabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions. (Nano Lett.,2019,DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01492)
原文链接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01492
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