Aluminum–Silicon Alloy Foils as Low-Cost, Environmentally Friendly Anodes for Lithium-Ion Batteries

材料科学 锂(药物) 阳极 合金 环境友好型 离子 锂离子电池的纳米结构 纳米技术 电极 冶金 无机化学 有机化学 化学 物理化学 内分泌学 生物 医学 生态学
作者
Shyam S. Sharma,Patrick Crowley,Arumugam Manthiram
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:9 (43): 14515-14524 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c05168
摘要

Aluminum foils are highly promising anode materials for enabling next-generation Li-ion batteries that are simultaneously low-cost, environmentally friendly, and high-performing. However, the practical application of Al foil anodes has been hindered by the issues of low Coulombic efficiency and rapid mechanical failure, leading to poor cycle life. Here, we demonstrate the positive effect of as low as 1% silicon addition (Al99.0Si1.0) on the performance of a free-standing, aluminum foil anode. The Al99.0Si1.0 foil anode displays substantial improvements in both cycle life (>100 cycles) and Coulombic efficiency (>99.5%) compared to pure Al in both half-cells and full cells paired with a LiFePO4 cathode. Ex situ morphological analysis with scanning electron microscopy reveals the formation of a large, interconnected network of deep cracks in Al99.0Si1.0 after the initial cycle, generating nanostructured, porous aluminum "islands" supported by a pristine, unreacted aluminum substrate. We believe that this highly stable structure allows for facile lithium transport and has the capability to freely expand/contract without isolation from the base foil, preventing rapid mechanical failure of the electrode. Our results demonstrate the potential of Al–Si alloy foil anodes as a low-cost, sustainable battery material, and the study will stimulate further exploration of Al-alloy foil anodes.
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