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High Areal Loading Silicon Nanoparticle-Based Lithium-Ion Batteries

材料科学 锂(药物) 纳米颗粒 离子 纳米技术 锂离子电池的纳米结构 化学工程 工程物理 光电子学 阳极 电极 物理化学 医学 化学 物理 工程类 量子力学 内分泌学
作者
Arun Thapa,Hongwei Gao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c17483
摘要

Interfacial mechanical stability between silicon (Si) and the current collector is crucial when high areal-loading of Si is demanded as intense stress develops at the interface due to its extreme volume alteration during the lithiation-delithiation process. Therefore, we propose using a thin, rough, porous, and highly conductive carbon nanotube network (CNT-N) as a buffer layer between the Si and current collector that provides abundant anchor sites for Si nanoparticles. The strong and elastic CNT-N, which is not involved directly in the lithiation process, reduces stress at interfaces between the Si and CNT-N and the CNT-N and current collector. We successfully fabricated a Si anode and NMC cathode with areal loadings of 6.13 mg cm–2 (7.65 mA h cm–2 at 1 mA cm–2) and ∼80 mg cm–2 (∼17 mA h cm–2 at 1 mA cm–2), respectively. Besides, a full cell composed of the Si anode (WSi+CNTs = 6.13 mg cm–2) and NMC cathode (WNMC = 35 mg cm–2) at 1 mA cm–2 exhibited an initial Coulombic efficiency (ICE) and capacity of 85.1% and 7.14 mA h cm–2, respectively. Despite the cell's continuous capacity fade (∼4 mA h cm–2 at 100th cycle), the bilayer design may pave the way for achieving high areal-loading Si-based anodes for high-energy-density lithium-ion batteries.
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