刘健、Hao Liu、Guoxiu Wang教授 AFM: 中空低氧化硅基负极助力高性能锂离子电池- 大数跨境

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刘健、Hao Liu、Guoxiu Wang教授 AFM: 中空低氧化硅基负极助力高性能锂离子电池

科学材料站

2021-04-20

导读：该项工作设计并合成了带有石墨碳涂层和原位生长的碳纳米管中空结构SiOx@CNTs/C材料。

文章信息

第一作者：田昊, 田华军

通讯作者：刘健*，Hao Liu*, Guoxiu Wang*

单位：中科院大连化物所，University of Technology Sydney

研究背景

硅被视为下一代锂离子电池（LIB）的一种高容量负极材料，但Si阳极在循环期间遭受的巨大体积变化给稳定的电池运行带来了严峻的挑战。

此时，具有相对弱体积膨胀且循环稳定性好的低氧化硅（SiOx）则成为高能量密度LIB的最有希望的候选者之一。SiOx负极的发展所面临的主要问题为较差的电子电导率和低的初始库仑效率，这严重阻碍了LIB的实际应用。

文章简介

基于此，来自悉尼科技大学Professor GuoxiuWang与其他合作者，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Stable Hollow‐Structured Silicon Suboxide‐Based Anodes toward High‐Performance Lithium‐Ion Batteries”的文章。

该项工作设计并合成了带有石墨碳涂层和原位生长的碳纳米管中空结构SiOx@CNTs/C材料。当作为负极材料用于锂离子电池中时，SiOx@CNTs/C负极材料具有高可逆容量，高初始库仑效率（88％），出色的循环性能和压延过程中的出色机械强度（200 MPa）。

具体有以下独特的功能:

（i）通过原位透射电子显微镜（TEM，直接监测耐高压的空心结构可以缓冲锂离子的插入/迁出过程中的膨胀过程，从而增强了材料的循环稳定性;

（ii）通过化学气相沉积衍生的均匀碳涂层改善了SiOx的电子导电性；

（iii）原位生长的碳纳米管可以进一步提高SiOx@CNTs/C复合材料的电导率和机械强度，实现高倍率性能和循环稳定性；

（iv）钴单原子促进了SEI的形成，从而导致了很高的初始库仑效率。

本文要点

要点一：低温催化化学气相沉积构建复合电极材料

首先，研究人员利用常规方法合成了ZIF-67，并在此基础上制备了中空结构的硅酸钴颗粒。然后利用类CCVD法，催化化学气相沉积，在相对较低的温度下成功制备了SiOx@CNTs/C复合材料。

图1. 以ZIF-67为模板合成SiOx@CNTs/C复合材料的示意图。

要点二：DFT理论计算分析SiOx@CNTs/C复合材料的形成机理

研究人员对乙炔在Co的（101）和（110）表面上的分解反应机理，进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算结果表明乙炔分子更容易吸附在Co的（101）晶面上，且C原子可以容易地沉积在Co的（101）晶面上。

乙炔（C2H2）气体在催化还原过程中热分解为C和H2。Co颗粒被C和H2还原以生成金属Co。同时，C颗粒沉积在Co金属的表面上。

随后，通过Co催化反应来生长CNTs。与CNTs/C的复合使得材料成功获得优异的电子导电性和高的机械强度，从而助力锂离子电池获得高的倍率性能和循环稳定性。

图2. SiOx@CNTs/C复合材料形成机理的DFT计算图。

要点三：SiOx@CNTs/C复合电极实现低体积膨胀

研究人员利用原位透射电子显微镜（TEM）表征验证，SiOx@CNTs/C复合纳米材料的内部空隙可以有效地缓冲锂的嵌入/脱出过程中的体积膨胀/收缩。

图3. 原位TEM下SiOx@CNTs/C复合材料嵌入、脱出锂过程的形貌变化。

要点四：SiOx@CNTs/C复合电极实现优异锂离子电池性能

锂离子电池测试结果显示，SiOx@CNTs/C复合材料用作电池负极时表现出优异的循环性能和倍率性能，以及高的初始库仑效率。

并且，全LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2//SiOx@CNTs/C LIB电池具有高达325 Wh kg−1的能量密度以及优异的循环稳定性。该项工作对进一步深入理解低SiOx材料在锂离子电池负极上的应用研究具有重要意义。

图4. SiOx@CNTs/C复合材料LIB负极性能，全LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2//SiOx@CNTs/C LIB电池性能图。

文章链接

Stable Hollow-Structured Silicon Suboxide-Based Anodes toward High-Performance Lithium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101796

通讯作者介绍

刘健教授。

研究员，博士生导师。2009年毕业于中国科学院大学，理学博士学位，2009年-2013年先后获澳大利亚昆士兰大学优秀博士后及澳大利亚基金委特别研究助理资助在澳大利亚生物工程与纳米技术研究所，昆士兰大学工作。2013年被澳大利亚科廷大学聘为讲师；2014年晋升为高级讲师。2017年至今，任中科院大连化物所-英国萨里大学未来材料联合研究中心执行主任，微/纳米反应器与反应工程学创新特区研究组组长，从事纳米反应器，纳米多孔材料的设计合成及在能源、催化等相关领域的基础应用研究。2018年起任“Materials Today Sustainability”主编（Editor-in-Chief），2020年担任《催化学报》第六届编辑委员会青年编委。迄今在包括 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., JACS, Mater. Today, Matter, Nature Mater., Nature Commun. 等国际刊物发表正式论文220余篇。所发表论文已被 SCI 引用超过 16600余次，H 因子为 59。入选2018年，2019年，2020年科睿唯安高引作者 (2018，2019，2020 Highly Cited Researchers from Clarivate Analytics)。受邀为CRC Press编写“Mesoporous Materials for Energy Storage and Conversion”专著一本，参与10本书章的编写。曾获得 “第 14 届国际催化大会青年科学家奖”（2008），“UQ Foundation Research Excellence Award”（澳大利亚昆士兰大学基础研究最高奖，2011），英国皇家化学会旗下杂志Journal of Materials Chemistry A 2017杰出研究者等多项奖励。

并于2011年获得澳大利亚基金委博士后特别研究员资助 (Australian Postdoctoral Fellowship)，2013年入选日本学术振兴会特邀研究员 (JSPS Invitation Fellow)。2017年入选青年海外高层次人才引进计划，2018年入选辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、2020年获得辽宁省自然科学基金优秀青年基金。研究方向：（1）纳米反应器的构筑，模拟细胞器构筑具有Core-shell， Yolk-shell， Janus等特殊结构的纳米反应器，从原子尺度构建催化剂，从分子尺度揭示催化反应过程。（2）二氧化碳的资源化利用。发展高效CO2转化催化剂，包括电催化，光催化，光电催化还原CO2制备高附加值化学品。

Professor Guoxiu Wang，澳大利亚悉尼科技大学科学学院杰出教授，清洁能源技术中心主任。

入选：国际电化学学会会士（2018）、英国皇家化学会会士（2017），和欧洲科学院院士（2020））。连续三年材料科学领域“全球高被引科学家”（2018-2020）。汪国秀教授致力于材料化学、电化学、储能与转换、电池技术等方面的研究，其兴趣包括锂离子电池、锂空气电池、锂硫电池、钠离子电池、超级电容器、储氢材料、燃料电池、石墨烯和MXenes。在Nat. Nanotech., Nat. Catal., Energy Environ. Sci., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Adv. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Energy Storage Materials, Nano Lett., ACS Nano, Nano Energy等国际著名期刊上发表论文550多篇，被引44000多次，H指数117。目前担任Scientific Reports和Energy Storage Materials编委会成员，Electrochemical Energy Reviews副主编。