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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極材料

    更新時間:2021-11-15     閱讀次數:1976


    鋰離子電池中電極的機械性能對其電化學性能有巨大影,尤其是對于硅基電極。在循環過

    程中,硅基電極會被粉碎并形成不穩定的固體電解質界面。

    復旦大學夏永姚教授、王永剛教授發表了一種在鎳內核載體(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極材料。超薄納米硅層有助于實現合理的高能量密度,并因其高比容量和較短的鋰離子擴散長度而能夠實現快速的鋰離子擴散。

    【研究過程】
    圖片
     ↑ 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,產生Ni– Si核殼結構。然后,預活化的核-殼納米結構在惰性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/硅化物界面向外擴散,而硅原子通過硅化物/硅界面向內擴散。

    圖片

    Si@NixSi/Ni 核的組成和形態-殼結構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 的電極表現出性能,具有合理更高的比容量和的穩定性。與原始 Si 電極相比,Si@NixSi/Ni 核殼電極表現出更好的循環性能。

    圖片

    【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極材料。在研究中發現, 呈現輻射分布的NixSi層,通過溫度引起的Si外擴散和Ni內擴散在Si核和 Ni殼界面之間產生,以小的體積膨脹實現相當高的比容量。

    圖片

    Si@NixSi/Ni核殼電極在500 mA/g 的電流密度下表現出706.1 mAh/g的電荷比容量。是傳統的石墨陽極的兩倍。該結構還顯示出 81.5% 的高循環庫侖效率。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高的比容量和超長的循環壽命,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高的比容量

    ③ Ni內核提供機械支撐以在延長的鋰化/脫鋰過程中保持納米顆粒的結構完整性

    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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