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Layered porous silicon encapsulated in carbon nanotube cage as ultra-stable anode for lithium-ion batteries

材料科学 阳极 电解质 多孔性 化学工程 纳米技术 锂(药物) 介孔材料 电极 复合材料 化学 光电子学 催化作用 生物化学 物理化学 工程类 医学 内分泌学
作者
Yang Ren,Xucai Yin,Rang Xiao,Tiansheng Mu,Hua Huo,Pengjian Zuo,Yulin Ma,Xinqun Cheng,Yunzhi Gao,Geping Yin,Ying Li,Chunyu Du
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:431: 133982-133982 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133982
摘要

Despite the tremendous efforts in developing Si-based anode materials, the instable structure and electrode/electrolyte interphase caused by the severe volumetric expansion/contraction still remain quite challenging for their application in Li-ion batteries (LIBs). Here we firstly propose and synthesize a micron-sized layered sieve-like porous silicon (LSP-Si) anode material by a facile etching and magnesiothermic reduction strategy. This LSP-Si material possesses special layered porous structure with evenly distributed pores in the layers, forming the interconnected nanonetwork like a sieve. Concomitant with this hierarchal layered porous structure, the LSP-Si microparticle can effectively accommodate the severe volume expansion and mitigate the stress concentration due to the mutual extrusion upon lithiation, and thus stable solid electrolyte interphase (SEI) films can be well maintained. Meanwhile, a large number of mesopores provide well-accessible space for electrolyte penetration, facilitating faster transport and better intercalation kinetics of Li+ ions. Further, the LSP-Si microparticle are encapsulated within the CNT cage through the electrostatic adsorption to achieve high mechanical integrity and good electrical contact. Accordingly, the [email protected] material delivers a high reversible capacity (1862 mAh g−1 at 100 mA g−1), superior cycling stability (91.9% capacity retention after 500 cycles) and excellent rate capability (1546.8 mAh g−1 at 200 mA g−1 and 719.3 mAh g−1 at 5000 mA g−1). Our work provides a design strategy for high-capacity Si-based micron material viable in the next-generation high-energy LIBs.
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