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

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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): e202400036-e202400036 被引量:14
标识
DOI:10.1002/asia.202400036
摘要

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 LiFePO4 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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