Sealing porous carbon via surface-initiated polymerization achieves low-surface-area Si-C microparticles for Li-ion batteries

材料科学 多孔性 聚合 碳纤维 化学工程 离子 曲面(拓扑) 表面改性 纳米技术 复合材料 聚合物 有机化学 复合数 工程类 几何学 化学 数学
作者
Dongsheng Yang,Ming Chen,Rui Han,Yiteng Luo,Hao Li,Zhirong Kang,Yungui Chen,Ju‐Yen Fu,Naseem Iqbal,Wei Liu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:127: 109744-109744 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109744
摘要

Porous Si-carbon composite architecture represents an effective design for lithium-ion batteries (LIBs) anodes. However, the high specific surface area (SSA) greatly negates cell initial Coulombic efficiency (ICE), and the function of porous carbon is challenged by practical conditions such as calendaring and high-mass-loading cycling. Here, we report a crosslinked conductive polymer layer as sealing layer for porous Si-C particles to enable high ICE and stable cycling of densified Si-anodes. A surface-initiated polymerization was adopted to form a conformal polymeric skin that can greatly lower the SSA and improve ICE of porous Si-C particles (94.8 vs. 5.7 m2/g, and 77.3% vs. 84.4%). The "sealed" Si-C particle maintains desirable intraparticle porosity to digest the volume changes during Li insertion, while the polymeric skin is key to shield off electrolyte penetration into the particles interior and to mechanically package the porous secondary particles throughout calendaring and cycling. The Si-C graphite mixtures anode (650 mAh/g) retains 70.8% capacity after 500 cycles. Adopting high-mass-loading NCM622, the full cell with stringent electrode metrics (anode at 1.2 g/cm3, NCM622 at 3.1 g/cm3, 3.4 mAh/cm2) demonstrates 65.9% capacity retention after 100 cycles. This study opens up a pathway to produce low-SSA porous anodes for practical LIBs.
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