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Scalable Synthesis of Pore-Rich Si/C@C Core–Shell-Structured Microspheres for Practical Long-Life Lithium-Ion Battery Anodes

材料科学 阳极 法拉第效率 化学工程 电解质 锂(药物) 纳米颗粒 复合数 电池(电) 锂离子电池 多孔性 电极 纳米技术 复合材料 物理化学 内分泌学 功率(物理) 化学 工程类 物理 医学 量子力学
作者
Weili An,Peng He,Zongzhou Che,Chengmao Xiao,Eming Guo,Chunlei Pang,Xueqin He,Jianguo Ren,Guohui Yuan,Ning Du,Deren Yang,Dong‐Liang Peng,Qiaobao Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 10308-10318 被引量:163
标识
DOI:10.1021/acsami.1c22656
摘要

Silicon/carbon (Si/C) composites have rightfully earned the attention as anode candidates for high-energy-density lithium-ion batteries (LIBs) owing to their advantageous capacity and superior cycling stability, yet their practical application remains a significant challenge. In this study, we report the large-scale synthesis of an intriguing micro/nanostructured pore-rich Si/C microsphere consisting of Si nanoparticles tightly immobilized onto a micron-sized cross-linked C matrix that is coated by a thin C layer (denoted P-Si/C@C) using a low-cost spray-drying approach and a chemical vapor deposition process with inorganic salts as pore-forming agents. The as-obtained P-Si/C@C composite has high porosity that provides sufficient inner voids to alleviate the huge volume expansion of Si. The outer smooth and robust C shells strengthen the stability of the entire structure and the solid-electrolyte interphase. Si nanoparticles embedded in a microsized cross-linked C matrix show excellent electrical conductivity and superior structural stability. By virtue of structural advantages, the as-fabricated P-Si/C@C anode displays a high initial Coulombic efficiency of 89.8%, a high reversible capacity of 1269.6 mAh g-1 at 100 mA g-1, and excellent cycle performance with a capacity of 708.6 mAh g-1 and 87.1% capacity retention after 820 cycles at 1000 mA g-1, outperforming the reported results of Si/C composite anodes. Furthermore, a low electrode swelling of 18.1% at a high areal capacity of 3.8 mAh cm-2 can be obtained. When assembled into a practical 3.2 Ah cylindrical cell, extraordinary long cycling life with a capacity retention of 81.4% even after 1200 cycles at 1C (3.2 A) and excellent rate performance are achieved, indicating significant advantages for long-life power batteries in electric vehicles.
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