Unlocking High‐Current Performance in Silicon Anode: Synergistic Phosphorus Doping and Nitrogen‐Doped Carbon Encapsulation to Enhance Lithium Diffusivity

阳极 兴奋剂 材料科学 热扩散率 掺杂剂 阴极 电流密度 化学工程 光电子学 化学 电极 物理化学 量子力学 物理 工程类
作者
Arief Muhammad Firdaus,Naufal Hanif Hawari,Celfi Gustine Adios,Paramadina Masihi Nasution,Erwin Peiner,Hutomo Suryo Wasisto,Afriyanti Sumboja
出处
期刊:Chemistry-an Asian Journal [Wiley]
卷期号:19 (7) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/asia.202400036
摘要

Abstract The silicon (Si) offers enormous theoretical capacity as a lithium‐ion battery (LIB) anode. However, the low charge mobility in Si particles hinders its application for high current loading. In this study, ball‐milled phosphorus‐doped Si nanoparticles encapsulated with nitrogen‐doped carbon (P−Si@N−C) are employed as an anode for LIBs. P‐doped Si nanoparticles are first obtained via ball‐milling and calcination of Si with phosphoric acid. N‐doped carbon encapsulation is then introduced via carbonization of the surfactant‐assisted polymerization of pyrrole monomer on P‐doped Si. While P dopant is required to support the stability at high current density, the encapsulation of Si particles with N‐doped carbon is influential in enhancing the overall Li + diffusivity of the Si anode. The combined approaches improve the anode's Li + diffusivity up to tenfold compared to the untreated anode. It leads to exceptional anode stability at a high current, retaining 87 % of its initial capacity under a large current rate of 4000 mA g −1 . The full‐cell comprising P−Si@N−C anode and LiFePO 4 cathode demonstrates 94 % capacity retention of its initial capacity after 100 cycles at 1 C. This study explores the effective strategies to improve Li + diffusivity for high‐rate Si‐based anode.
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