锂离子电池(LIBs)广泛应用于各种移动电子产品。对全球变暖和气候变化的担忧最近推动了电动汽车和太阳能光伏输出平滑对锂电池的需求。作为一种活性材料,硅的理论容量高达3578 mAh/g,是石墨(372 mAh/g)的十倍左右。
现在,大阪大学的一个研究小组已经使用超薄石墨片(GSs)包裹的片状硅纳米粉末来制造具有高面积容量和高电流密度的LIB电极。
硅屑通常作为工业废料处理,全球每年以10万吨的速度从硅锭中产生,硅锭由二氧化硅通过1000~1800°C的工艺生产。水基冷却剂和固定磨粒线锯为使用硅屑作为高容量阳极活性材料铺平了道路,且成本较低。
纳米碳材料已被应用于硅电极,以提高其导电性和可循环性。许多以相对较高的成本处理硅电极大体积变化的策略已经被证明。然而,硅电极并没有结合高电极性能的所有要求,即降低成本,材料和工艺的环保性以及循环经济。
“在这项研究中,由硅屑和膨胀石墨组成的硅/石墨片复合材料被用作活性材料,降低了成本和热预算。Si纳米粉末分散并包裹在由膨胀石墨制成的GSs之间,”第一作者jae - young Choi解释说。“GS桥是在裂缝上形成的,可以抑制硅的开裂和脱落。聚集的GS包裹着Si/GS复合材料,作为稳定的框架,可以保护电解质路径和Si体积变化的缓冲空间。”
Si/GS复合结构和衰减限制使电池在1200 mAh/g下可循环901次。Si/GS电极的面积衰减能力和电流密度线性增加到4 mAh/cm25毫安/厘米2,质量加载次数超过75次,而C包覆硅的厚电极在C2H4没有竞争力。
“具有高容量和高电流密度的硅阳极电池具有用于电动汽车的潜力。这种潜力,加上越来越多的硅屑作为工业废物产生,将使我们的工作有助于减少温室气体排放和实现可持续发展目标,”通讯作者Taketoshi Matsumoto说。
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