Large areal capacity all-in-one lithium-ion battery based on boron-doped silicon/carbon hybrid anode material and cellulose framework.

材料科学 电池(电) 阳极 化学工程 纤维素 电解质 储能 电极 复合数
作者
Weijun Zhou,Jizhang Chen,Xinwu Xu,Xiang Han,Minfeng Chen,Li Yang,Shin-Ichi Hirano
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:612: 679-688
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.01.011
摘要

Si, featuring ultra-large theoretical specific capacity, is a very promising alternative to graphite for Li-ion batteries (LIBs). However, Si suffers from intrinsic low electrical conductivity and structural instability upon lithiation, thereby severely deteriorating its electrochemical performance. To address these issues, B-doping into Si, N-doped carbon coating layer, and carbon nanotube conductive network are combined in this work. The obtained Si/C hybrid anode material can be "grown" onto the Cu foil without using any binder and delivers large specific capacity (2328 mAh g-1 at 0.2 A g-1), great rate capability (1296.8 mAh g-1 at 4 A g-1), and good cyclability (76.7% capacity retention over 500 cycles). Besides, a cellulose separator derived from cotton is found to be superior to traditional polypropylene separator. By using cellulose as both the separator host and the mechanical skeleton of two electrodes, a flexible all-in-one paper-like LIB is assembled via a facile layer-by-layer filtration method. In this all-in-one LIB, all the components are integrated together with robust interfaces. This LIB is able to offer commercial-level areal capacity of 3.47 mAh cm-2 (corresponding to 12.73 mWh cm-2 and 318.3 mWh cm-3) and good cycling stability even under bending. This study offers a new route for optimizing Si-based anode materials and constructing flexible energy storage devices with a large areal capacity.
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