北理工Small: 高性能二維介孔硅納米片負(fù)極
【引言】
二維納米材料由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性能,在基礎(chǔ)研究及技術(shù)應(yīng)用方面引起了研究者極大的興趣。近年來,各種二維材料,如石墨烯、過渡金屬氧化物、硫化物及碳/氮化物等,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光催化、電催化、能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。在鋰離子電池方面,二維納米結(jié)構(gòu)的引入可以有效的縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑、提高界面電荷轉(zhuǎn)移速率及增大電極-電解液界面,可以顯著提高材料的電化學(xué)性能,因而受到研究人員的廣泛關(guān)注。
在眾多負(fù)極材料中,硅因其超高的理論比容量、較低的放電電壓及鋰離子擴(kuò)散勢(shì)壘,成為了最有發(fā)展前景的高容量鋰電負(fù)極材料之一。然而,硅在充放電過程中會(huì)引起巨大的體積膨脹,導(dǎo)致材料顆粒粉化和脫落,嚴(yán)重影響其電化學(xué)性能。此外與零維、一維硅納米結(jié)構(gòu)不同,二維硅材料生長(zhǎng)的最大障礙源于其自身的晶體結(jié)構(gòu)。通常,典型的二維材料具有強(qiáng)的層內(nèi)共價(jià)鍵及弱的層間范德華力,這種顯著的表面能差異導(dǎo)致其各向異性的二維生長(zhǎng)。然而,由于硅是各向同性的立方相晶體,要實(shí)現(xiàn)自發(fā)層狀生長(zhǎng)極其困難。盡管目前各種方法被用來合成二維硅納米片,如刻蝕與剝離、化學(xué)氣相沉積及模板誘導(dǎo)合成,但這些方法通常工藝復(fù)雜、成本高、前驅(qū)體不穩(wěn)定、產(chǎn)率低而且儲(chǔ)鋰性能差。因此,采用低成本的方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)異電化學(xué)性能的二維硅納米片的大規(guī)模制備是一個(gè)意義重大且存在巨大挑戰(zhàn)的難題。
【成果簡(jiǎn)介】
近日,北京理工大學(xué)曹傳寶教授團(tuán)隊(duì)陳卓副教授指導(dǎo)博士生陳松在Small上發(fā)表了題為“Scalable Two-dimensional Mesoporous Silicon Nanosheets for High-Performance Lithium Ion Battery Anode”的文章。他們利用低成本的模板法及鎂熱還原過程,首次在硅材料上實(shí)現(xiàn)了二維硅納米片的宏量制備。通過分子模版劑在二維硅納米片上引入介孔,使其具有較高的比表面積。作為鋰離子電池負(fù)極,與商業(yè)硅相比,循環(huán)性能有明顯改善。進(jìn)一步通過均勻的碳包覆,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能、循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。基于阻抗譜,擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)分析及SEI膜觀察,該性能的顯著增強(qiáng)主要?dú)w咎于獨(dú)特的二維介孔結(jié)構(gòu)及碳包覆的協(xié)同作用:1)有效的促進(jìn)了鋰離子的擴(kuò)散;2)提高界面電荷轉(zhuǎn)移速率;3)緩解硅的體積膨脹。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 納米片合成示意圖及電鏡表征結(jié)果
(a) 納米片合成示意圖;
(b) Si納米片的SEM;
(c) Si納米片的TEM;
(d-e) Si納米片的HRTEM。
圖2 Si/C納米片的透射電鏡及拉曼光譜表征結(jié)果
(a) Si/C納米片的TEM;
(b) Si/C納米片的HRTEM;
(c) Si/C納米片的拉曼光譜圖。
圖3 硅基負(fù)極的電化學(xué)性能
(a) Si納米片前三個(gè)循環(huán)的CV曲線;
(b) Si/C納米片前三個(gè)循環(huán)的CV曲線;
(c) Si納米片的恒電流充放電曲線;
(d) Si/C納米片的恒電流充放電曲線;
(e) 400 mA g-1下商業(yè)硅顆粒、純硅納米片及Si/C納米片的循環(huán)穩(wěn)定性比較;
(f) 不同電流密度下商業(yè)硅顆粒、純硅納米片及Si/C納米片的倍率性能比較;
(g) 4 A g-1下Si/C納米片的循環(huán)性能。
【小結(jié)】
該文章成功報(bào)道了一種低成本宏量制備二維介孔硅納米片的方法,同時(shí)為了進(jìn)一步緩解體積改變及提高動(dòng)力學(xué)行為,對(duì)其進(jìn)行碳包覆處理,結(jié)構(gòu)表征及優(yōu)異的電化學(xué)性能證實(shí)了該方法的可行性。本研究不僅極大地改善了硅基負(fù)極的電化學(xué)性能,同時(shí)也為開發(fā)與設(shè)計(jì)獨(dú)特的納米材料用于各種能源器件提供了新思路。

責(zé)任編輯:繼電保護(hù)
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