Reduced Volume Expansion of Micron‐Sized SiOx via Closed‐Nanopore Structure Constructed by Mg‐Induced Elemental Segregation

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作者
Di‐Xin Xu,Yuming Zhao,Hanxian Chen,Zhuo‐Ya Lu,Yufei Tian,Sen Xin,Ge Li,Yu‐Guo Guo
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202401973
摘要

The inherently huge volume expansion during Li uptake has hindered the use of Si-based anodes in high-energy lithium-ion batteries. While some pore-forming and nano-architecting strategies show promises to effectively buffer the volume change, other parameters essential for practical electrode fabrication, such as compaction density, are often compromised. Here we propose a new in situ Mg doping strategy to form closed-nanopore structure into a micron-sized SiOx particle at a high bulk density. The doped Mg atoms promote the segregation of O, so that high-density magnesium silicates form to generate closed nanopores. By altering the mass content of Mg dopant, the average radii (ranged from 5.4 to 9.7 nm) and porosities (ranged from 1.4 % to 15.9 %) of the closed pores are precisely adjustable, which accounts for volume expansion of SiOx from 77.8 % to 22.2 % at the minimum. Benefited from the small volume variation, the Mg-doped micron-SiOx anode demonstrates improved Li storage performance towards realization of a 700-(dis)charge-cycle, 11-Ah-pouch-type cell at a capacity retention of >80 %. This work offers insights into reasonable design of the internal structure of micron-sized SiOx and other materials that undergo conversion or alloying reactions with drastic volume change, to enable high-energy batteries with stable electrochemistry.
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