天津大学Carbon Energy：镁掺杂、碳包覆与预锂化改善锂电池硅基负极的初始库仑效率- 大数跨境

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天津大学Carbon Energy：镁掺杂、碳包覆与预锂化改善锂电池硅基负极的初始库仑效率

科学材料站

2024-08-12

导读：天津大学Carbon Energy：镁掺杂、碳包覆与预锂化改善锂电池硅基负极的初始库仑效率

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研究方向

大分类：电池、锂离子电池

小分类：电池安全、高容量负极材料

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文章介绍

研究背景：硅亚氧化物（SiOx，x ≈ 1）作为锂离子电池的负极材料具有高容量的优势，但由于首次循环中不可逆的锂硅酸盐形成，导致其初始库仑效率（ICE）较低。

研究亮点：本研究通过使用低成本的镁粉末作为还原剂，对SiOx进行固相镁掺杂反应，成功提升了SiOx的ICE。镁掺杂产生的MgSiO₃或Mg₂SiO₄主要分布在SiOx表面，有效抑制了首次循环中的不可逆锂离子损失。

主要内容：通过控制镁与SiOx之间的反应过程，本文调整了镁掺杂SiOx的相组成、比例和形态，从而操纵其性能。优化后的样品展示了1226 mAh g⁻¹的容量和84.12%的ICE，与未掺杂镁的碳包覆SiOx相比有显著提升。同时，镁掺杂与预锂化的协同改性进一步将SiOx的容量提高到1477 mAh g⁻¹。

氧化亚硅的镁掺杂、碳包覆、及预锂化实验示意图

(D) C–SiO（碳包覆氧化亚硅），(B)、(E) C–SiO–0.22Mg–0.5h（镁与氧化亚硅摩尔比为0.11，反应时长0.5小时），以及(C) 、(F) C–SiO–0.55Mg–1h（镁与氧化亚硅摩尔比为0.55，反应时长0.5小时）的高分辨透射电子显微镜图像及其对应的快速傅里叶变换模式图。(G) 不同蚀刻时间的C–SiO–0.22Mg–0.5h的高分辨率Si 2p X射线光电子能谱。(H) 预锂化和镁掺杂改性的C–SiO–Mg–LiH–X的高分辨率Li 1s X射线光电子能谱和(I) 高分辨率Si 2p X射线光电子能谱

镁与氧化亚硅摩尔比为(A) 0.11，(B) 0.22和(C) 0.55的碳包覆镁掺杂氧化亚硅材料，以及(D) 碳包覆的预锂化和镁掺杂氧化亚硅的首次充放电曲线，及其(E) 比容量和首次充放电效率

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文章链接

Bin Liu, Jie Liu, Cheng Zhong, Wenbin Hu, Mg-doped, carbon-coated, and prelithiated SiOx as anode materials with improved initial Coulombic efficiency for lithium-ion batteries, Carbon Energy, 2024, 6, e421.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.421

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作者简介

钟澄教授：天津大学材料科学与工程学院教授、博导。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家优秀青年科学基金获得者，英国皇家化学学会会士，入选2021–2023年度全球“高被引科学家”名单。目前主要研究方向为电化学冶金和电池电化学。在Nature Energy、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等国际知名刊物发表SCI收录论文200余篇。编著中英文专著/教材3部，担任国际电化学能源科学研究院终身理事、物理化学学报高级编委、Carbon Energy和Frontiers in Chemistry副主编。邮箱：zhongsjtu@163.com。