Subnano-sized silicon anode via crystal growth inhibition mechanism and its application in a prototype battery pack

阳极 材料科学 机制(生物学) 电池组 电池(电) 纳米技术 光电子学 化学 电极 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学
作者
Jaekyung Sung,Namhyung Kim,Jiyoung Ma,Jeong Hyeon Lee,Se Hun Joo,Taeyong Lee,Sujong Chae,Moonsu Yoon,Yoonkwang Lee,Jaeseong Hwang,Sang Kyu Kwak,Jaephil Cho
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:6 (12): 1164-1175 被引量:188
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00945-z
摘要

Due to the large volume variation of high-capacity alloy-based anodes during cycling, it is desirable to use small anode particles for an extended battery cycle life. However, it is still challenging to realize subnano-sized particles (<1 nm). Here we show a growth inhibition mechanism that prevents continuous enlargement of size immediately after nucleation during chemical vapour deposition. The growth inhibition is successfully applied to the synthesis of silicon, thereby yielding subnano-sized (<1 nm) silicon embedded in a highly stable dual matrix composed of carbon and silicon carbide. Ethylene not only functions as a silicon growth inhibitor, thereby slowing the growth of nucleated silicon via Si–C bond formation, but also acts as a source to create the dual matrix. The subnano-sized silicon anode enhances the cycling stability (Coulombic efficiency reaching 99.96% over 50 cycles). Finally, the practical application of the fabricated energy storage system (103.2 kWh) containing 110 Ah full-cells with 91% capacity retention for 2,875 cycles and a calendar life of 97.6% for 1 year is demonstrated.
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