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高循环稳定性Si@Cu微颗粒锂离子电池负极
2018/7/6 | 浏览量:1340 |
       锂离子电池广泛应用于电子移动设备、电动汽车及能量储存等领域。由于锂离子电池石墨负极材料的容量已接近理论值(370 mAh/g),为进一步适应便携式电子设备对小型化和电动汽车对大容量高功率电池的需求,目前大量研究已转向可替代石墨的新型负极材料体系。硅作为一种理想的候选材料具有很高的理论储锂容量(4200mAh/g)。但是硅基负极材料,尤其是尺寸相对较大的微米颗粒,在嵌锂和脱锂过程中体积膨胀和收缩较大(~300%),易导致破裂、粉化、结构崩塌而脱离导电集流体。由于硅具有较低的导电性,其不可逆容量较高,且循环稳定性能较差。


最近,中国科学院北京纳米能源与系统研究所卢宪茂研究员(点击查看介绍)和王中林院士(点击查看介绍)指导的研究团队找到一种在三维铜集流体上生长的具有微米尺寸的硅/铜复合负极材料。他们首先在铜片上制备了氢氧化铜纳米线阵列,然后通过磁控溅射在氢氧化铜表面溅射一层保护层,经过氢气还原后在铜基底上生长了22种Cu@M(M = Si、Al、C、SiO2、Si3N4、Ag、Ti、Ta、SnIn2O5、Au、V、Nb、W、Mg、Fe、Ni、Sn、ZnO、TiN、Al2O3、HfO2、TiO2)核壳纳米线。而作为负极材料的多层硅/铜微米复合结构可通过多次磁控溅射的方法获得。


测试表明,单层Cu@Si纳米线负极在循环1500周后可以维持87%的初始容量。而多层Cu@Si@Cu微颗粒(硅负载量1.08 mg/cm2)在循环200周可以维持81%的初始容量。在不同倍率的条件下,多层Cu@Si@Cu微颗粒容量维持在900到2200 mAh•g-1之间,相应的面积容量维持在1.0到2.4 mAh•cm-2之间。该材料之所以具有高循环稳定性,是因为Cu@Si@Cu内部的导电铜网络可以一定程度上解决硅膨胀的问题,并在充放电过程中维持与集流体的连通。另外,该研究团队还利用Cu@Si@Cu负极与LiFePO4正极材料组装成全电池,用以有效储存纳米发电机产生的电能。

图1. (a)微尺寸硅薄膜在充放电过程中结构的粉化;(b)多层Cu@Si@Cu微颗粒在充放电过程中可以维持电极结构的完整性。


图2. 铜基纳米线的制备。


图3. 多层Cu@Si@Cu微颗粒半电池性能。


图4. 纳米发电机为3D Cu@Si@Cu-LiFePO4全电池充电的性能。


这一成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是北京纳米能源所的助理研究员张在磊

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