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导电剂协同效应助力合成高稳定性SiOx

与理论容量为372mAh/g的商业石墨相比,硅基材料的极高理论比容量已经引起人们的广泛关注(例如单质硅高达4200mAh/g)。然而,硅基材料导电性差,并且在与锂离子合金化/脱合金过程中巨大的体积膨胀/收缩导致电极结构破坏,进而导致容量迅速衰减。针对这两种问题,中科院半导体研究所李传波课题组提出了一种利用高能球磨法来制备小尺寸SiOx粉末(HB-SiOx)并将其作为锂离子电池负极活性物质。另外,作者通过引入各种混合导电剂,有效地解决了SiOx电导率低的限制。结合上述两种改进,所制备的电池表现出优异的循环和倍率性能。

导电剂协同效应助力合成高稳定性SiOx

图1. HB-SiOx和raw SiOx的SEM图像

作者对商业SiOx粉末进行高能球磨处理,颗粒尺寸大为减小,并且在SiOx颗粒的表面上具有无定形组成。通过充分混合(SiO2)和(SiO)组分作为电极,可进一步减小体积变化。另外在首次循环中形成的Li2O和Li4SiO4可充当缓冲剂以抑制在锂化/脱锂过程期间Si的体积变化,这有利于形成优异的循环性能。HB-SiOx电极搭配合适的导电剂,在300mA/g电流密度下表现出1416.8mAh/g的可逆容量和99.8%的库伦效率,并且循环100次后的容量保持率为83.6%(1184.8mAh/g)。

为了解决导电性差的问题,作者研究了几种混合的导电剂(A:KS-6, B:KS-6和SP, C: KS-6和VGCF, D: KS-6, SP和VGCF)。通过对其进行电化学表征,四个电极具有相似的库伦效率,但是具有三种导电剂的电极D较其他三种电极表现出最好的循环性能,在300mA/g电流密度下表现出1416.8mAh/g的可逆容量和99.8%的库伦效率,并且循环100次后的容量保持率为83.6%(1184.8mAh/g)。这是因为导电剂的协同效应有效地改善了SiOx的导电性。

导电剂协同效应助力合成高稳定性SiOx

图2. (a, c, d)HB-SiOx和raw SiOx的电化学性能图,(b)不同导电剂性能研究

本文所报道的方法简单且可用来大规模生产SiOx负极材料,如果再引入预锂化程序,首次库伦效率将会有较大提高。

编者言:从本文中的SEM图可看出,材料颗粒均一性不是特别好,故在实际应用的过程中小颗粒的脱嵌锂速度较快,导致热失控的几率会增加。

Junying Zhang, ChunqianZhang, Zhi Liu, Jun Zheng, Yuhua Zuo, Chunlai Xue, Chuanbo Li, Buwen Cheng; High-performanceball-milled SiOx anodes for lithium ion batteries; Journal of Power Sources; 2016,DOI:10.1016/j.jpowsour.2016.11.044

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