Mechanically Reinforced Localized Structure Design to Stabilize Solid–Electrolyte Interface of the Composited Electrode of Si Nanoparticles and TiO2 Nanotubes

材料科学 电极 电解质 阳极 碳纳米管 纳米颗粒 纳米技术 化学工程 肿胀 的 复合材料 图层(电子) 光电子学 化学 物理化学 工程类
作者
Mingzheng Ge,Yuxin Tang,Oleksandr I. Malyi,Yanyan Zhang,Zhiqiang Zhu,Zhisheng Lv,Xiang Ge,Huarong Xia,Jianying Huang,Yuekun Lai,Xiaodong Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:16 (30): e2002094-e2002094 被引量:53
标识
DOI:10.1002/smll.202002094
摘要

Silicon anode with extremely high theoretical specific capacity (≈4200 mAh g-1 ), experiences huge volume changes during Li-ion insertion and extraction, causing mechanical fracture of Si particles and the growth of a solid-electrolyte interface (SEI), which results in a rapid capacity fading of Si electrodes. Herein, a mechanically reinforced localized structure is designed for carbon-coated Si nanoparticles (C@Si) via elongated TiO2 nanotubes networks toward stabilizing Si electrode via alleviating mechanical strain and stabilizing the SEI layer. Benefited from the rational localized structure design, the carbon-coated Si nanoparticles/TiO2 nanotubes composited electrode (C@Si/TiNT) exhibits an ideal electrode thickness swelling, which is lower than 1% after the first cycle and increases to about 6.6% even after 1600 cycles. While for traditional C@Si/carbon nanotube composited electrode, the initial swelling ratio is about 16.7% and reaches ≈190% after 1600 cycles. As a result, the C@Si/TiNT electrode exhibits an outstanding capacity of 1510 mAh g-1 at 0.1 A g-1 with high rate capability and long-time cycling performance with 95% capacity retention after 1600 cycles. The rational design on mechanically reinforced localized structure for silicon electrode will provide a versatile platform to solve the current bottlenecks for other alloyed-type electrode materials with large volume expansion toward practical applications.
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