Preparation of Carbon-Coated Silicon Nanoparticles with Different Hydrocarbon Gases in Induction Thermal Plasma

材料科学 硅 碳纤维 涂层 无定形碳 石墨 化学工程 石墨烯 阳极 氢 碳氢化合物 纳米颗粒 纳米技术 复合材料 无定形固体 复合数 有机化学 电极 化学 光电子学 物理化学 工程类
作者
Xiaoyu Zhang,Byeong-Il Min,Yiran Wang,Ririko Hayashida,Manabu Tanaka,Takayuki Watanabe
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (28): 15551-15559 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c03209
摘要

Silicon appears as a promising candidate to replace the graphite anode for lithium ion batteries (LIBs) due to its extremely high charge capacity. However, the large volume expansion during charging leads to serious stability problems. Silicon nanoparticles coated with protective coatings are reliable to solve this problem and facilitate the practical implementation of the silicon anode. In this study, induction thermal plasma was applied to synthesize silicon nanoparticles with amorphous hydrogenated carbon coating, and the effects of additional carbon sources were investigated. A novel but simple injection method of hydrocarbons was introduced to limit the unfavorable formation of byproducts. The thickness of carbon coating ranges from 2 to 8 nm with a higher hydrocarbon gas flow rate, while silicon particles show a constant mean diameter of around 70 nm. The properties of carbon coating, like sp2 ratio and H-content, are tunable, and the thermal decomposition mechanism of carbon sources is believed as a key factor. Graphene flakes can also be obtained with abundant carbon and hydrogen radicals released. Based on the material characterizations, acetylene is regarded as a better candidate to prepare carbon coating. The above results show significance for the design of next generation of LIBs.
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