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A novel design idea of high-stability silicon anodes for lithium-ion batteries: Building in-situ “high-speed channels” while reserving space

阳极 材料科学 空隙(复合材料) 化学工程 电化学 复合数 锂离子电池 电流密度 电极 纳米技术 复合材料 化学 光电子学 电池(电) 量子力学 物理 工程类 物理化学 功率(物理)
作者
Zhongyu He,Li Liu,Shengnan Liu,Chen Yang,Lian Sun,Chang Liu,Yanchao Zhu,Xiaofeng Wang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:472: 144991-144991 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144991
摘要

As one of the most promising anode materials for high-performance lithium-ion batteries, the commercial application of Si faces many dilemmas. In this paper, a facile method is developed to substantially improve the cycling stability of Si-based anodes. Firstly, based on the Kirkendall effect, the Si nanoparticle was transformed into multi-Si-void@SiO2 by heat-treatment. Then, the acid precipitation process was used to coat the lignin on the surface of the multi-Si-void@SiO2 structure via the hydrogen-bond interaction, and after in-situ carbonization, multi-Si-void@SiO2@lignin-based carbon composite was formed. The optimum electrode material maintained the specific capacity of 759 mA h g−1 after 1300 cycles at the current density of 1.0 A/g. The great electrochemical performance is attributed to the four components of voids, Si, SiO2 and lignin-based carbon (LC) performing their duties and synergistically, making the electrode exhibit excellent cycle stability. After long-term charge/discharge process, SiO2 layer is fully activated to construct Li4SiO4 and Li2O “high-speed channels”, providing a “bridge” for Si to connect with the outside. And the reserved space inside the structure is conducive to the free expansion and contraction of Si. Meanwhile, lignin, as a cheap and renewable carbon source, greatly reduces the cost of material preparation. Consequently, the multi-Si-void@SiO2@LC composite presented here provides a feasible strategy for the large-scale development of highly stable Si-based anodes.
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