Scalable synthesis of nanoporous silicon microparticles for highly cyclable lithium-ion batteries

材料科学 法拉第效率 阳极 纳米孔 化学工程 锂(药物) 多孔硅 纳米技术 纳米结构 电极 光电子学 化学 医学 工程类 内分泌学 物理化学
作者
Jiangyan Wang,William Huang,Yong Seok Kim,You Kyeong Jeong,Sang Cheol Kim,Jeffrey Heo,Hiang Kwee Lee,Bofei Liu,Jaehou Nah,Yi Cui
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:13 (6): 1558-1563 被引量:101
标识
DOI:10.1007/s12274-020-2770-4
摘要

Nanoporous silicon is a promising anode material for high energy density batteries due to its high cycling stability and high tap density compared to other nanostructured anode materials. However, the high cost of synthesis and low yield of nanoporous silicon limit its practical application. Here, we develop a scalable, low-cost top-down process of controlled oxidation of Mg<sub>2</sub>Si in the air, followed by HCl removal of MgO to generate nanoporous silicon without the use of HF. By controlling the synthesis conditions, the oxygen content, grain size and yield of the porous silicon are simultaneously optimized from commercial standpoints. In situ environmental transmission electron microscopy reveals the reaction mechanism; the Mg<sub>2</sub>Si microparticle reacts with O<sub>2</sub> to form MgO and Si, while preventing SiO<sub>2</sub> formation. Owing to the low oxygen content and microscale secondary structure, the nanoporous silicon delivers a higher initial reversible capacity and initial Coulombic efficiency compared to commercial Si nanoparticles (3,033 mAh/g vs. 2,418 mAh/g, 84.3% vs. 73.1%). Synthesis is highly scalable, and a yield of 90.4% is achieved for the porous Si nanostructure with the capability to make an excess of 10 g per batch. Our synthetic nanoporous silicon is promising for practical applications in next generation lithium-ion batteries.
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