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Interface Engineering of Silicon/Carbon Thin-Film Anodes for High-Rate Lithium-Ion Batteries

材料科学 阳极 锂(药物) 接口(物质) 碳纤维 离子 工程物理 薄膜 纳米技术 电极 化学工程 锂离子电池的纳米结构 光电子学 复合材料 有机化学 复合数 毛细管数 毛细管作用 化学 物理化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Ling Tong,Pan Wang,Wenzhong Fang,Xiaojiao Guo,Wenzhong Bao,Yu Yang,Shi‐Li Shen,Feng Qiu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:47
标识
DOI:10.1021/acsami.0c05140
摘要

Silicon is one of the most promising alternative active materials for next-generation lithium-ion battery (LIB) applications due to its advantage of high specific capacity. However, the enormous volume variations during lithiation/delithiation still remain to be an obstacle to commercialization. In this work, binder-free pure silicon and silicon/carbon (Si/C) multilayer thin-film electrodes, prepared by scalable one-step magnetron sputtering, are systematically investigated by an interlayer strategy. Herein, we present a rationally structural modification by an amorphous carbon film to enhance the electrical conductivity, mechanical integrity, and electrochemical performance of Si film-based LIBs. Therefore, to maintain the consistency of the direct-contact layer with the electrolyte and current collection, symmetrical Si/C/Si and Si/C/Si/C/Si/C/Si electrodes are deliberately designed to study the influence of embedded carbon. An anode with a carbon content of 10.38 wt % yields an initial discharge specific capacity of 1888.74 mAh g–1 and a capacity retention of 96.82% (1243.56 mAh g–1) after 150 cycles at a high current density of 4000 mA g–1. It also shows that the best rate capability remains 96.0% of the initial capacity in the 70th cycle. At last, three mechanisms are proposed for an in-depth understanding of the interface effect. This work offers a new perspective scheme toward Si/C-based LIBs with a capability of high rate and high energy density.

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