AFnM：可用于直接生长硅纳米线网络及锂离子负极的硅化铜纳米泡沫集流体- 大数跨境

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AFnM：可用于直接生长硅纳米线网络及锂离子负极的硅化铜纳米泡沫集流体

科学材料站

2020-07-29

导读：本文作者开发了一种高度灵活且机械强度高的二元3D CuxSiy纳米泡沫，作为一种通用的无粘合剂CC，可有效地生长高密度的高密度Si NW。

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直接生长的硅纳米线网络的硅化铜纳米泡沫集电器及其在锂离子负极中的应用

通讯作者：Kevin M. Ryan*

单位：爱尔兰利莫瑞克大学

背景简介

硅（Si）即将成为锂离子电池（LIB）中石墨的现实替代品。然而，尽管其理论容量很高，在LIB中完全实现仅Si负极的实现尚待实现。循环过程中不可抑制的Si体积膨胀（> 300％）可能导致粉碎，分层引起的与集电器（CC）的接触损失以及不可恢复的本体，薄膜和微米级颗粒型负极的容量损失等都是其致命缺陷。

一维硅（纳米线）可以解决这些问题，因为它能够承受较大的应变而不会破碎。纳米线及其相互连接的网络（循环后形成）也具有相对较高的表面积，提供较短的离子扩散距离，改善了电子传输，提供了较大的电极/电解质接触面积以缩短充电时间，并且可以直接生长在CC上。

硅纳米线（Si NWs）被认为是替代负极中石墨的极佳候选材料，可以大大提高锂离子电池（LIB）的容量。

文章介绍

近日，爱尔兰利莫瑞克大学Kevin M. Ryan课题组在国际顶级期刊Advanced Functional Materials (影响因子：15.621) 上发表题为“A Copper Silicide Nanofoam Current Collector for Directly Grown Si Nanowire Networks and their Application as Lithium‐Ion Anodes”的研究工作。

该工作通过在新型的3D互连二元相铜硅化硅纳米泡沫（3D CuxSiyNF）衬底网络上生长高密度的硅纳米线。纳米泡沫有利于均匀分散的小尺寸催化剂种子的均匀分布，从而导致高密度/单相硅纳米线的生长，面负载超过1.0 mg cm-2，稳定的面容量550次循环后的约为2.0 mAh cm-2。3D CuxSiyNF作为基材的用途进一步扩展为Al，Bi，Cu，In，Mn，Ni，Sb，Sn和Zn介导的Si NW生长，证明了负极体系结构的一般适用性。

该文章共同第一作者为Ibrahim Saana Aminu，Kevin M. Ryan为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：3D CuxSiyNF允许纯相Si NW增长而无任何金属原子注入

图1. 3D CuxSiyNF和高密度M-seeds Si NW的合成示意图

a）普通Cu箔，

b）二元相3D Cux Siy NF的形成，

c）M-seeds装饰的3D CuxSiyNF d）3D CuxSiyNF上高密度的M-seeds Si NW的生长。（M = Al，Bi，Cu，In，Mn，Ni，Sb或Zn）。所有反应步骤均在Ar气氛下的手套箱中进行。

要点二：3D CuxSiyNF有强大的机械性能

图2.

a）3D CuxSiyNF的SEM图像（比例尺：2 µm）和准备好的样品的光学照片（插图，尺寸：3.0×1.0 cm，厚度：≈70 µm），

b）3D CuxSiyNF的TEM图像，粒子（尺度：5 nm）快速傅里叶变换（FFT）衍射图（插图）之间的融合，

c）HR‐TEM图像（尺度：1 nm）和相应的 d）FFT图和e）原子顺序，

f）装饰有3D CuxSiyNF的Sn seeds的SEM图像（比例：1 µm），

g）高密度含Sn的Si纳米线的SEM图片（比例：1 µm），

h）Si的元素映射和Sn（比例尺：100 nm）。

f）和（g）中的插图分别是Sn seeds催化剂和Si NW的尺寸分布的高斯拟合直方图，

i）含Sn的Si NW的TEM图像（比例尺：50 nm）和相应的j ）高分辨率TEM图像（比例为2 nm）和k）FFT衍射图。

要点三：3D CuxSiyNF的形成机理和结构转变步骤

图3.

a）3D CuxSiyNF的形成机理和结构转变步骤的示意图，以及相应的非原位SEM图像（比例：500 nm），显示了b）球形纳米粒子的形成，≈300nm，c）纳米粒子融合成分支，≈85nm，

d）网络生长，≈114nm，红色箭头显示纳米粒子在分支上融合，≈60nm，

e）网络成熟，尺寸约140 nm。

结论

在本工作中，作者开发了一种高度灵活且机械强度高的二元3D CuxSiy纳米泡沫，作为一种通用的无粘合剂CC，可有效地生长高密度的高密度Si NW。在大多数系统中不希望形成硅化铜颗粒的中间层，作者成功地控制了硅化物的形成，以通过限制其以2D网络结构的形式发挥其最佳性能。

纳米泡沫网络表现出出色的机械强度，不仅有助于控制催化剂种子的大小和分布，而且还为所有三种催化剂实现了较高的面负载量和稳定的Si NW生长。3D CuxSiy NF的综合性能可形成稳定的Si NW负极，其重量和面积容量明显高于已报道的几种基于Si NW的负极。因此，这项工作为开发用于锂离子电池的坚固合金纳米线负极体系结构提供了一种有吸引力且用途广泛的方法。

文章链接:

A Copper Silicide Nanofoam Current Collector for Directly Grown Si Nanowire Networks and their Application as Lithium‐Ion Anodes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003278