Building a Cycle-Stable Fe–Si Alloy/Carbon Nanocomposite Anode for Li-Ion Batteries through a Covalent-Bonding Method

材料科学 阳极 纳米复合材料 共价键 合金 碳纤维 离子 化学工程 复合材料 复合数 纳米技术 冶金 电极 有机化学 化学 物理化学 工程类
作者
Hui Wang,Sijia Fan,Yuliang Cao,Hanxi Yang,Xinping Ai,Faping Zhong
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (27): 30503-30509 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acsami.0c08456
摘要

Si is being intensively developed as a safe and high-performance anode for next-generation Li-ion batteries (LIBs); however, its battery application still remains challenging because of its low cycling Coulombic efficiency. To address this issue, we chose a conjugated polymer, polynaphthalene, as a carbon precursor and a low-cost commercial ferrosilicon (Fe-Si) alloy as the active phase to prepare a Fe-Si/C nanocomposite with a core-shell-like architecture through sand milling-assisted covalent-bonding method, followed by a carbonization reaction, thus forming a covalently bonded carbon coating on the surfaces of Fe-Si alloy nanoparticles. Benefitting from the greatly reduced volumetric expansion of Fe-Si alloy cores in the lithiation process and the stable interface provided by the outer carbon shell, the thus-prepared Fe-Si/C nanocomposite exhibits a high structural stability in repeated charge/discharge cycles. The experimental results reveal that the Fe-Si/C composite anode can demonstrate a high reversible capacity of 1316.2 mA h g-1 with an active mass utilization of 82.6%, a long-term cycle stability of more than 1000 cycles even at a considerably high current rate of 2.0 A g-1, and, in particular, a high cycling Coulombic efficiency of 99.7%, showing great prospect for application in practical LIBs.
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