通訊作者：韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所Sung Youb Kim教授和 Jaephil Cho教授。

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成果簡(jiǎn)介

由于硅負(fù)極鋰化時(shí)具有明顯的體積膨脹問題而無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而現(xiàn)有的解決策略成本高昂。作者提出使用層狀納米球硅負(fù)極來(lái)解決這一問題。通過(guò)在各種氣氛中的一鍋法來(lái)合成包含由SiOx / Si / SiOx / C層封裝的納米球，每層厚度<20 nm。發(fā)現(xiàn)SiOx層可以調(diào)控壓力變化，允許納米球在循環(huán)期間保持其形態(tài)完整性并促進(jìn)固體電解質(zhì)的形成。當(dāng)使用包含納米球/石墨共混陽(yáng)極和鈷酸鋰陰極組裝的全電池時(shí)平均能量密度為2440.2 Wh L-1 （比常規(guī)石墨高1.72倍），容量在101次循環(huán)后依然高達(dá)80％。

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圖1.平均能量密度的概念和中間層（MCS）的關(guān)系。 a）能量密度和b）循環(huán)過(guò)程中石墨和高容量陽(yáng)極的平均能量密度的示意圖。 c）層狀納米球 （LMN） 和d）非層狀納米球 （MCS） 循環(huán)過(guò)程中容量衰減機(jī)理。對(duì)于LMN，通過(guò)引入中間層可以減輕表面SiOx層中的高應(yīng)力，這使得即使在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)期間也可以保持結(jié)構(gòu)完整性。另一方面，在非層狀納米球 （MCS） 中，表面SiOx受到Si芯的高鋰化引起的應(yīng)力的作用導(dǎo)致SEI層增厚。 e）循環(huán)過(guò)程中保護(hù)層厚度與100個(gè)循環(huán)后的理論特定容量和容量保有率的關(guān)系。

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圖2. LMN制備和表征。 a）LMN制備示意圖。 b）橫截面示意圖，顯示了LMN的詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征。 c）TEM圖像，d）高放大倍數(shù)TEM圖像，e）具有Si，O和C元素mapping的STEM圖像和f）LMN的粒度分布。

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圖3.不同陽(yáng)極材料的電化學(xué)表征。 a）第一圈電壓分布和b）不同電極循環(huán)性能與庫(kù)倫效率。

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圖 4 鋰化過(guò)程中有限元計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力分布。 a）顯示出了在循環(huán)之前和鋰化之后的環(huán)向應(yīng)力的示意性橫截面圖。 b）鋰化期間MCS和LMN表面層的環(huán)向應(yīng)力分布。 c）分別在20％和100％的鋰化狀態(tài)下測(cè)定SCS，MCS和LMN的碳表面層的環(huán)向應(yīng)力。 d）SCS，MCS和LMN的模擬相對(duì)體積膨脹比與鋰化狀態(tài)的關(guān)系。LMN半電池100個(gè)循環(huán)之前e）后f）的頂部和橫截面SEM圖像。

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文獻(xiàn)信息

Fabrication of Lamellar Nanosphere Structure for Effective Stress-Management in Large-Volume-Variation Anodes of High-Energy Lithium-Ion Batteries. (Adv.Mater.,2019,DOI: 10.1002/adma.201900970)

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900970