创新界面改性提升锂电池性能：微米硅负极的碳复合材料解决方案- 大数跨境

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创新界面改性提升锂电池性能：微米硅负极的碳复合材料解决方案

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2024-09-06

导读：盐城工学院&南京大学Nano Research：碳纳米管缠绕微米硅复合阳极助力高能量密度锂电池稳定性突破

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文章信息

盐城工学院孙林课题组，Nano Research：高能量密度锂离子电池用坚固复合界面网络稳定多孔微硅阳极

第一作者：孙林

通讯作者：孙林*，金钟*

单位：盐城工学院，南京大学

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研究背景

硅的比容量高且安全性能好，被认为是最有希望取代商用石墨，成为下一代高容量动力电池的负极材料。其中与纳米结构的硅碳复合材料相比，用于锂离子电池(LIBs)的微尺寸硅碳复合阳极由于其更高的体积能量密度、更少的副反应和更低的成本，近年来受到了广泛的关注。然而，它们面临更严重的体积膨胀效应，从而导致电池容量的快速衰减。因此，从简单、可扩展、安全、可持续的角度构建高稳定的微尺寸硅碳复合阳极材料是一项挑战。

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文章简介

近日，盐城工学院孙林教授团队与南京大学金钟教授团队合作，在知名期刊Nano Research上发表题为“Stabilizing porous micro-sized silicon anodes via construction of tough composite interface networks for high-energy-density lithium-ion batteries”的研究文章。该文章从安全可放大以及界面改性的角度制备出高振实密度的碳纳米管缠绕PVP衍生碳包覆微米多孔Si（μP-Si@CNT@C）复合阳极，从而有效提升了微米硅碳负极锂电池的电化学性能。

图1 μP-Si@CNT@C 的制备流程图及形貌、元素组成分析。

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本文要点

通过电化学测试和有限元模拟表明，所制备的μP-Si@CNT@C在引入CNTs和PVP衍生碳时，通过构建坚韧的复合界面网络，协同优化了电极的稳定性和整体性能。图2(a-b)是μP-Si@CNT@C半电池测试，图2(c)是以商用NCM811和μP-Si@CNT@C分别为正极和负极的全电池测试。其中图2(a)是μP-Si@CNT@C电极在0.5 A g^-1的电流密度下进行200次循环后，比容量仍高达1000 mAh g^-1。图2(b) 是μP-Si@CNT@C电极在~1.2 mg cm^-2的质量负载下，电池面积容量约为4 mAh cm^-2。图2(c)是组装全电池的循环稳定性测试，在100次充放电循环后，容量保持率超过90%。图2(d-f)中有限元模拟表明，CNT的缠绕和PVP衍生碳包覆可有效减缓μP-Si的体积膨胀。该工作为构建高性能微米尺寸硅碳负极电极材料提供了一些新方法和见解。

图2 电池循环稳定性测试、建立的模型和有限元模拟结果。

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文章链接

Stabilizing porous micro-sized silicon anodes via construction of tough composite interface networks for high-energy-density lithium-ion batteries

https://doi.org/10.1007/s12274-024-6937-2

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通讯作者简介

孙林教授简介：南京大学、盐城工学院、常州大学硕士生导师，2017年获得南京大学博士学位，盐城工学院能源与应用催化科技创新团队负责人。入选江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师（2023），江苏省高层次创新创业人才引进计划科技副总。在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Small, Nano Res.等国内外重要期刊发表SCI论文50余篇，论文合计被引用1600余次，H因子23。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省科技厅碳达峰碳中和专项，江苏省博士后基金等多项省部级以上项目。荣获2021年江苏省科学技术奖三等奖（3/7），Nano Research/ Nano Research Energy学术新星奖，“绿色能源创享未来”首届中国可再生能源技术创业大赛三等奖，江苏省科协青年会员创新创业大赛一等奖，盐城市自然科学学术成果二等奖，盐城市政府专利奖银奖等。

金钟教授简介：南京大学化学化工学院教授、博导、南京大学新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院进行博士后研究。2014年起任教于南京大学，入选了国家“万人计划”科技创新领军人才、国家自然科学基金优秀青年科学基金、国家海外高层次人才引进计划青年项目。主要研究领域是能源化学和材料化学，包括：清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用。已在Nature Chem.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>270篇，他引>20000次，H因子75。主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项青年科学家项目、JW科技委GF科技创新特区项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、国家自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项、江苏省杰出青年基金等科研项目。