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ACS Nano:应用于锂离子电池的碳包覆硅/硅化铁二次粒子的连续流合成

来源:admin 发布日期:2020-1-19

      改善活性材料以及电极中的电子和离子传输是提高锂离子电池(LIB)电极的重要研究途径。本文研究了作为LIB的阳极材料的硅化铁材料,因为与纯Si颗粒相比,硅化铁具有更高的电导率和更低的体积膨胀率。另外,可以使用连续流涂工艺从铁硅化物的表面合成碳纳米管(CNT),其中先将前体喷雾干燥成微米级的次级颗粒,然后再流过化学气相沉积(CVD)反应器。一些碳纳米管在次级粒子内部形成,这对于短距离电传输非常重要。次级粒子上表面结合的CNT可能有助于建立长程电导率。与具有相同组成的非结构化材料相比,这些球形次级颗粒可提供更好的电极涂层质量,可循环性和倍率性能。所开发的电极在1A/g下重量保持1150 mAh/g的容量循环了300次,并以5 C的速率保持43%的电容量。此外,石墨混合电极的电极密度为539 mAh/g,体积密度高达〜1.6 g/cm3,面积容量〜3.5 mAh/cm2,同时具有稳定的循环性能。
                                                                                                                                 【成果简介】

         近日,剑桥大学的Changshin Jo和Michael De Volder教授(共同通讯)在ACS Nano上发表了一篇题为“Continuous-Flow Synthesis of Carbon-Coated Silicon/Iron Silicide Secondary Particles for Li-Ion Batteries ”的文章。在这项工作中,使用喷雾干燥将我们的Si纳米颗粒包装成微米大小的球体。微米级纯Si二次粒子的电阻对于电池作而言太高了,但是这项工作表明CNT可以在二次粒子的缝隙内合成,从而提供了良好的内部短程电网络。另外,从次级颗粒表面延伸的CNT可以帮助提高颗粒间的远程导电性,这在工业转向更厚的电极涂层时尤其重要。
                                                                                                                                   【图文导读】

                                                                                        

                                                                         图1 连续流动装置进行SiFeCNT合成的过程示意图

使用喷雾干燥器和化学气相沉积法合成SiFeCNT。连续流反应器合成SiFeCNT。

                                                            

                                                                                      图2 SiFeCNT-[℃]-[min]的形貌

a)SixFey纳米团簇和标记为SiFeCNT-[℃]-[min](例如SiFeCNT-850-30);(b)SiFeCNT-850-2;(c)SiFeCNT-850-10;(d)SiFeCNT-630-30;(e,f)使用连续流工艺合成的SiFeCNT样品(CNT合成持续时间约为6s);SiFeCNT-700-20样品(样品被切成100 nm厚度)的(g-i)TEM图像。

                                                       
                                                                                                                  图3 SiFeCNT的各项表征

在各种(a)温度和(b)时间条件下合成的SiFeCNT样品的XRD图谱;(c)Si,SiFeCNT-770-30和SiFeCNT-850-30的Si 2p XPS光谱;(d)不同时间和温度下的碳重量;(e)SiFeCNT-[℃] -30样品的TGA曲线的导数;(f)Si NP,Si簇,SiFe簇和SiFeCNT-850-60样品的N2物理吸附等温线。

                                                           
                                                                                                              图4 SiFeCNT的电化学性能

a)以100 mA/g的电流密度获得的SiFeCNT-850-60和SiFe-簇+ CNT混合电极的恒电流充放电曲线;(b)SiFeCNT,SiFe-簇+ CNT和Si-簇+ CNT混合物的循环稳定性和(c)速率性能;(d)SiFeCNT和SiFe-cluster + CNT混合电极的内部电阻与准开路电压(QOCV)曲线和e)奈奎斯特曲线。

                                                                          

                                                                          图5 卷对卷(R2R)涂层和混合电极的电化学测试

a)SiFeCNT+石墨电极的R2R涂层工艺示意图,以及(b)35 m长的R2R涂层电极的图片;(c)SiFeCNT+石墨和Si NPs+石墨电极的SEM图像;(d)SiFeCNT+石墨和(e)Si NPs+石墨电极的充放电曲线;(f)混合电极在200 mA/g时的循环性能和库仑效率图。


                                                                                                                                        【小结】

本文报告了一种可扩展的工艺来制造用于LIB阳极的SiFeCNT二次粒子,该粒子既可以单独使用也可以与石墨共混。通过将初级Si颗粒(直径约50 nm)喷雾干燥成球形次级颗粒(直径约3 μm)来制造这些颗粒,以提高其堆积密度并减少电极配方中所需的粘合剂量。接下来,使用CVD从SiC颗粒的表面直接生长CNT,我们发现在次级颗粒的内部和外部都形成了纳米管,从而实现了更好的电子传输。另外,CVD生长的CNT牢固地锚定在次级颗粒上,结果减轻了混合和涂覆期间的相分离,并且在循环期间保持了电网络。纯SiFeCNT电极在300次循环中在1A/g下显示出超过1150 mAh/g的比容量,并以5C的速率保留了其容量的43%以上。另外,研究人员制备了混合电极,其中SiFeCNT与石墨混合以获得的阳极材料比电容达550 mAh/g。

文献链接:Continuous-Flow Synthesis of Carbon-Coated Silicon/Iron Silicide Secondary Particles for Li-Ion Batteries(ACS Nano,2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b07473) 

 

新闻来源:https://mp.weixin.qq.com/s/Rn6MtB3lr98kRuQkIKcLVg

 

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