Nanostructured Si(1-x)Gex for Tunable Thin Film Lithium-Ion Battery Anodes

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作者
Paul R. Abel,Aaron M. Chockla,Yong-Mao Lin,Vincent C. Holmberg,Justin T. Harris,Brian A. Korgel,Adam Heller,C. Buddie Mullins
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:7 (3): 2249-2257 被引量:156
标识
DOI:10.1021/nn3053632
摘要

Both silicon and germanium are leading candidates to replace the carbon anode of lithium ions batteries. Silicon is attractive because of its high lithium storage capacity while germanium, a superior electronic and ionic conductor, can support much higher charge/discharge rates. Here we investigate the electronic, electrochemical and optical properties of Si(1-x)Gex thin films with x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1. Glancing angle deposition provided amorphous films of reproducible nanostructure and porosity. The film's composition and physical properties were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy, four-point probe conductivity, Raman, and UV-vis absorption spectroscopy. The films were assembled into coin cells to test their electrochemical properties as a lithium-ion battery anode material. The cells were cycled at various C-rates to determine the upper limits for high rate performance. Adjusting the composition in the Si(1-x)Gex system demonstrates a trade-off between rate capability and specific capacity. We show that high-capacity silicon anodes and high-rate germanium anodes are merely the two extremes; the composition of Si(1-x)Gex alloys provides a new parameter to use in electrode optimization.
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