Эффект ограничения объемного расширения толстых гибридных покрытий TiO2/C на микроразмерных отрицательных электродных материалах SiOx

представить (кого-л. на работу и т.д.)

С развитием устройств хранения энергии нового поколения все более актуальной становится потребность в высокой удельной энергии, длительном сроке службы и высокой плотности мощности литий-ионных аккумуляторов (LIB). В последние годы, по сравнению с анодами на основе кремния (Si), аноды на основе SiOx привлекают большое внимание благодаря высокой обратимой удельной емкости более 1000 мАч г-1 и меньшему объемному расширению, а также длительному сроку службы. Однако при увеличении размера частиц SiOx до микронного уровня ухудшается электропроводность, объемное расширение и снижается удельная емкость. Для решения этих проблем исследователи проделали большую плодотворную работу. Например, Лю и др. разработали микросферу Yolk@Shell SiOx/C, обладающую преимуществами адаптации к изменению объема, высокой электропроводностью и отличной структурной стабильностью. Лю и др. сообщили о монодисперсных микросферах SiOx/C, в которых SiOx однородно диспергирован в углеродной матрице, что может повысить электронную проводимость SiOx и буферизировать большие изменения объема. Тем не менее, эти эффективные стратегии уменьшения размера частиц до наноразмеров и создания уникальных структур не подходят для обработки свойств, необходимых в реальном производстве. Поэтому в связи с потребностью в батареях с высокой плотностью энергии и технологическими инновациями в области катодных материалов с высоким содержанием Mn и Ni разработка микронных размеров отрицательных электродных материалов SiOx с длительным сроком службы и хорошими технологическими характеристиками стала первоочередной задачей.

Хорошо известно, что TiO2 как анодный материал претерпевает незначительное объемное расширение ( 1,5 В). Поэтому диоксид титана может служить хорошим защитным слоем для улучшения структурной целостности наноразмерных Si/SiOx анодов. Предыдущие исследования показали, что тонкие покрытия (~10 нм) из TiO2 или TiO2/C могут быть использованы для наноразмерных частиц Si/SiOx. Недавно наша группа продемонстрировала, что TiO2 может повысить качество углеродного покрытия на микронных SiOx, тем самым улучшая электропроводность электродного материала. Однако объемное расширение микронного SiOx не может контролироваться простым тонким покрытием TiO2, поэтому необходимо определенное пространство для размещения объемного расширения микронного SiOx и более прочное покрытие для контроля области расширения.

В данной работе мы разработали анодные материалы SiOx микронного размера (p-SiOx@yTiO2@C), сочетающие внутреннее пустое пространство и сверхтолстое гибридное покрытие TiO2/C (200-400 нм). Интересно, что вместо того, чтобы просто физически адсорбироваться на поверхности SiOx микронного размера, TiO2 химически связывается с ним, образуя связи Si-O-Ti, что значительно снижает межфазное сопротивление и улучшает сцепление покрытия с SiOx. Функциональность толстых гибридных покрытий TiO2/C может быть хорошо представлена путем визуального наблюдения за изменением толщины электродного материала. Данное исследование предлагает новую концепцию для разработки микроразмерных анодных материалов SiOx путем объединения пустот и создания толстых гибридных покрытий для достижения низкого объемного расширения.

Приложения

В данной работе были разработаны новые анодные материалы SiOx с низким объемным расширением и высокой ионной/проводящей способностью путем сочетания внутреннего буферного пространства и внешней гибридной оболочки TiO2/C толщиной 200-400 нм. Для определения изменений толщины электрода была разработана конфокальная система визуализации электрохимических реакций, позволяющая в реальном времени определять количественные изменения толщины электрода во время зарядки и разрядки. Удивительно, но максимальное увеличение толщины разработанного анода с удельной емкостью 1006,2 мА рт.ст. составило всего 371 TP3T во время первого процесса литирования. В дальнейшем разработанный анод демонстрировал стабильный срок службы, причем емкость после 100 циклов уменьшилась на 7,831 TP3T по сравнению с емкостью 5-го цикла. Это говорит о том, что разработанное толстое гибридизационное покрытие TiO2/C эффективно снижает напряжение разбухания микрометрического масштаба SiOx во внутреннем пространстве. Эта работа демонстрирует, что огромное объемное расширение частиц SiOx микронного размера можно контролировать и поддерживать длительный срок службы путем рационального проектирования поверхностного гибридизационного покрытия и блочной структуры. Эта стратегия открывает путь к разработке микроразмерных анодных материалов SiOx для литий-ионных батарей с высокой плотностью энергии, длительным сроком службы и хорошей технологичностью.

На рис. 1 показано наблюдение в реальном времени за изменениями расширения материала электрода в процессе литирования/делитирования с помощью конфокальной системы визуализации электрохимических реакций (ECCS, B310, Lasertec Co., Ltd.). Система состоит из конфокальной оптики, оборудования для тестирования ячеек и двух частей. Ячейка для наблюдения за электродами со стеклянным окном (рис. S1). Сначала рабочий электрод и литиевая фольга в качестве противоэлектрода были подготовлены с помощью специальных инструментов, собраны в специальный держатель ячейки и закреплены винтами. Затем в нижнюю часть корпуса ячейки добавляли 0,5 мл электролита, держатель ячейки герметизировали для визуализации ячейки, а поперечное сечение рабочего электрода прижимали к стеклянному окну для наблюдения. Наконец, сечение визуализированной ячейки переворачивали и оставляли на 12 ч для полного проникновения электролита, а все вышеперечисленные операции проводили в перчаточном боксе.

источник (информации и т.д.)

Авторы: Fei Dou, Yuehua Weng, Guorong Chen, Liyi Shi, Hongjiang Liu, Dengsong Zhang

Учреждение: Государственная ключевая лаборатория перспективной специальной стали, Школа материаловедения и инженерии, Исследовательский центр нанонауки и технологии, Департамент химии, Колледж наук, Шанхайский университет, Шанхай 200444, Китай Химический факультет, Колледж наук, Шанхайский университет, Шанхай 200444, Китай

Опубликовано: Получено 19 ноября 2019 г.; Получено в пересмотренном виде 31 декабря 2019 г.; Принято 11 января 2020 г.; Доступно онлайн 13 января 2020 г.

Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, анод SiOx, гибридное покрытие, срок службы

Сайт источника статьи:Эффекты ограничения объемного расширения толстых гибридных покрытий TiO2/C на микроразмерных анодных материалах SiOx